МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ПСИХОАНАЛИЗА КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ 1. г. Москва – 2012 года 1 ОГЛАВЛЕНИЕ 1. ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ В СИСТЕМЕ НАУКИ И КУЛЬТУРЫ ............................................................10 1.1. Естественно-научная и гуманитарная культуры .....................................................10 1.2. Принципы, формы и методы научного познания .......................................................12 1.2.1. Общие принципы научного познания ...................................................................12 1.2.2. Формы научного познания .....................................................................................13 1.2.3. Методы научного исследования ............................................................................15 1.2.4. Особая роль математики в естествознании...........................................................18 1.3. Естествознание и научная картина мира ..................................................................19 1.3.1. Понятие научной картины мира .............................................................................19 1.3.2. Историческая смена физических картин мира .....................................................19 1.4. Панорама современного естествознания ...................................................................21 1.4.1. Естествознание в аспекте научно-технической революции ................................21 1.4.2. Тенденции развития естествознания .....................................................................21 1.4.3. Проблема классификации наук ..............................................................................23 2. ИСТОРИЯ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ .......................................................................................24 2.1. Зарождение эмпирического научного знания .............................................................25 2.2. Античная наука..............................................................................................................27 2.3. Александрийский период развития науки ...................................................................30 2.4. Развитие науки арабских и среднеазиатских народов в средние века ....................33 2.5. Период схоластики ........................................................................................................35 2.6. Научная революция XVI–XVII вв. ..................................................................................37 2.6.1. Революция в астрономии ........................................................................................37 2.6.2. Экспериментальный метод Галилея ......................................................................38 2.6.3. Становление физики как самостоятельной науки ................................................39 2.6.4. Революция в математике.........................................................................................41 2.7. Развитие научных методов в естествознании ..........................................................41 2.8. Развитие естествознания в ХVIII в.............................................................................43 3. ФИЗИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ .....................................................45 3.1. Механистическая картина мира .................................................................................45 3.1.1. Принцип относительности Галилея .......................................................................46 3.1.2. Механика Ньютона ..................................................................................................47 2 3.1.3. Характерные особенности механистической картины мира .............................. 50 3.2. Развитие концепций термодинамики и статистической физики .......................... 51 3.2.1. Вещественная и корпускулярная теории теплоты ............................................... 51 3.2.2. Необратимость времени в термодинамике........................................................... 53 3.2.3. Первое и второе начала термодинамики .............................................................. 54 3.2.4. Принцип возрастания энтропии, хаос и порядок ................................................ 56 3.2.5. Статистический подход к описанию макросистем .............................................. 58 3.3. Развитие концепций электромагнитного поля ......................................................... 60 3.3.1. "Экспериментальные исследования по электричеству" Фарадея ...................... 61 3.3.2. Теория электромагнетизма Максвелла ................................................................. 62 3.3.3. Корпускулярная и континуальная концепция описания природы ..................... 64 3.3.4. Развитие представлений о свете ............................................................................ 65 3.3.5. Концепция дальнодействия и близкодействия .................................................... 68 3.4. Развитие концепций пространства и времени в специальной теории относительности .................................................................................................................. 70 3.4.1. Принцип относительности ..................................................................................... 70 3.4.2. Преобразование Лоренца ....................................................................................... 72 3.4.3. Релятивистская механика ....................................................................................... 73 3.4.4. Четырехмерное пространство-время в специальной теории относительности 75 3.4.5. Экспериментальное подтверждение специальной теории относительности ... 77 3.5. Общая теория относительности ............................................................................... 78 3.5.1. Принцип эквивалентности ..................................................................................... 78 3.5.2. Экспериментальное подтверждение общей теории относительности .............. 80 3.5.3. Философские выводы из теории относительности ............................................. 82 3.6. Симметрия пространства и времени и законы сохранения .................................... 83 3.7. Мегамир в его многообразии и единстве.................................................................... 85 3.7.1. Галактики и структура Вселенной ........................................................................ 86 3.7.2. Солнечная система.................................................................................................. 88 3.7.3. Концепция расширения Вселенной ...................................................................... 89 3.7.4. Эволюция Вселенной ............................................................................................. 91 3.7.5. Концепция большого взрыва ................................................................................. 93 3.8. Принципы организации микромира ............................................................................. 94 3.8.1. Развитие концепции атомизма .............................................................................. 95 3 3.8.2. Теория атома Бора – мост от классики к современности ....................................97 3.8.3. Корпускулярно-волновые свойства микрочастиц ................................................99 3.8.4. Принцип неопределенности .................................................................................100 3.8.5. Принцип дополнительности .................................................................................102 3.8.6. Описание микрообъектов в квантовой механике ...............................................103 3.8.7. Принцип суперпозиции .........................................................................................105 3.8.8. Принцип тождественности ...................................................................................106 3.8.9. Принципы причинности и соответствия в квантовой механике ......................107 3.9. Фундаментальные взаимодействия в природе.........................................................108 3.9.1. Гравитационное взаимодействие .........................................................................108 3.9.2. Электромагнитное взаимодействие .....................................................................109 3.9.3. Сильное взаимодействие ......................................................................................110 3.9.4. Слабое взаимодействие .........................................................................................110 3.10. Элементарные частицы ..........................................................................................112 3.10.1. Характеристики элементарных частиц................................................................112 3.10.2. Классификация элементарных частиц.................................................................113 3.11. Структурные уровни организации материи .........................................................115 4. РАЗВИТИЕ ХИМИЧЕСКИХ КОНЦЕПЦИЙ ..................................................................117 4.1. Учение о составе вещества .......................................................................................117 4.1.1. Первые представления о химическом элементе .................................................118 4.1.2. Закон постоянства состава ....................................................................................119 4.1.3. Закон простых кратных отношений ....................................................................121 4.1.4. Гипотеза Авогадро ................................................................................................122 4.1.5. Атомно-молекулярное учение ..............................................................................124 4.1.6. Закон сохранения массы и энергии .....................................................................125 4.1.7. Периодический закон Менделеева ......................................................................127 4.1.8. Электронное строение атома ................................................................................129 4.2. Структура химических систем .................................................................................132 4.2.1. Теория химического строения Бутлерова ...........................................................133 4.2.2. Химическая связь ..................................................................................................136 4.3. Физико-химические закономерности протекания химических процессов ............138 4.3.1. Энергетика химических процессов ......................................................................138 4.3.2. Химическая кинетика ............................................................................................140 4 4.3.3. Понятие о катализе и катализаторах ................................................................... 142 4.3.4. Реакционная способность веществ ..................................................................... 144 4.3.5. Обратимые реакции и состояние химического равновесия ............................. 145 4.3.6. Развитие химии экстремальных состояний ........................................................ 146 5. ОСОБЕННОСТИ БИОЛОГИЧЕСКОГО УРОВНЯ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ ............................ 148 5.1. Свойства живых систем ........................................................................................... 148 5.2. Уровни организации живой природы ........................................................................ 150 5.2.1. Молекулярный уровень ........................................................................................ 151 5.2.2. Клеточный уровень ............................................................................................... 152 5.2.3. Органно-тканевый уровень .................................................................................. 152 5.2.4. Организменный уровень ...................................................................................... 152 5.2.5. Популяционно-видовой уровень ......................................................................... 152 5.2.6. Биогеоценотический и биосферный уровни ...................................................... 153 5.3. Клетка – структурная и функциональная единица живых организмов ............... 153 5.3.1. Клеточная теория .................................................................................................. 154 5.3.2. Химический состав клеток................................................................................... 156 5.3.3. Клеточные и неклеточные формы жизни ........................................................... 157 5.4. Систематика живой природы .................................................................................. 158 5.5. Генетика ...................................................................................................................... 159 5.5.1. Законы Менделя .................................................................................................... 160 5.5.2. Хромосомная теория наследственности ............................................................. 162 5.5.3. Изменчивость ........................................................................................................ 163 5.5.4. Генетика человека ................................................................................................. 165 5.5.5. Генная инженерия и биоэтика ............................................................................. 168 5.6. Принципы эволюции живых систем ......................................................................... 170 5.6.1. Общее понятие прогресса и его проявление в живой природе ........................ 170 5.6.2. Ламаркизм ............................................................................................................. 171 5.6.3. Дарвинизм. Эволюция путем естественного отбора ......................................... 172 5.6.4. Развитие дарвинизма. Основные факторы и движущие силы эволюции ....... 173 5.6.5. Доказательства эволюции живой природы ........................................................ 178 5.7. Биохимическая эволюция ............................................................................................ 180 5.7.1. Основные подходы к проблеме происхождения жизни ................................... 181 5.7.2. Химическая эволюция .......................................................................................... 182 5 5.7.3. Коацерватная стадия в процессе возникновения жизни....................................183 5.7.4. Начальные этапы развития жизни на Земле .......................................................184 5.8. Происхождение и эволюция человека ........................................................................185 5.8.1. Положение человека в системе животного мира ...............................................186 5.8.2. Отряд приматов .....................................................................................................189 5.8.3. Происхождение человека......................................................................................191 5.8.4. Этапы эволюции человека ....................................................................................194 5.9. Биосфера и человек ......................................................................................................195 5.9.1. Концептуальные подходы к изучению биосферы ..............................................196 5.9.2. Многообразие живых организмов – основа организации и устойчивости биосферы ............................................................................................................................198 5.9.3. Биогеохимические циклы в биосфере .................................................................200 5.9.4. Эволюция биосферы .............................................................................................202 5.9.5. Ноосфера. Путь к единой культуре. .....................................................................203 5.9.6. Охрана биосферы...................................................................................................204 5.9.7. Влияние космоса на земные процессы ................................................................206 6. СОВРЕМЕННАЯ НАУКА О ЧЕЛОВЕКЕ ...................................................................................208 6.1. Здоровье и работоспособность человека .................................................................208 6.2. Физиология человека....................................................................................................211 6.3. Мозг и сознание ............................................................................................................212 6.3.1. Сознание – функция мозга ....................................................................................212 6.3.2. Смерть мозга и морально-этические и правовые проблемы .............................213 6.4. Структура субъективного мира человека................................................................214 6.4.1. Эмоции, чувства и интеллект ...............................................................................214 6.4.2. Сознание и самосознание .....................................................................................217 6.4.3. Сознательное и бессознательное .........................................................................219 6.4.4. Память.....................................................................................................................220 6.4.5. Творчество ..............................................................................................................221 7. СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД В ЕСТЕСТВОЗНАНИИ .......................................................................222 7.1. Принципы эволюции систем .......................................................................................222 7.2. Самоорганизация в живой и неживой природе ........................................................224 ЗАКЛЮЧЕНИЕ .........................................................................................................................227 6 ЛИТЕРАТУРА .......................................................................................................................... 229 7 ВВЕДЕНИЕ Естествознание – это наука о природе как единой целостности, представляющая собой единую систему знаний, компоненты которой – естественные науки, тесно связаны и взаимообусловлены. Проблемы, которые возникают в этой весьма обширной области познания, самые разнообразные – от устройства и происхождения Вселенной до познания молекулярных механизмов существования уникального Земного явления – жизни. В настоящее время спектр научных исследований в естествознании необыкновенно широк. В систему естественных наук, помимо основных естественных наук: физики, химии, биологии, географии, геологии, астрономии, включают междисциплинарные науки, стоящие на стыке нескольких традиционных наук (биофизику, биохимию, геофизику, астрофизику, геохимию и т.д.) и даже науки, стоящие на стыке между естественными и гуманитарными дисциплинами, например, психологию. Зачем же следует изучать естествознание? Для того, чтобы четко представлять себе подлинное единство Природы – то единое основание, на котором построено все разнообразие предметов и явлений окружающего нас мира. Отличием естествознания как науки от специальных естественных наук является то, что оно исследует одни и те же природные явления сразу с позиций нескольких наук, выискивая наиболее общие закономерности и тенденции, рассматривая природу как бы сверху. Знание основополагающих идей – концепций современного естествознания – поможет будущим специалистам гуманитарных направлений расширить кругозор и повысить научную грамотность, познакомившись с конкретными естественно -научными проблемами, понять и представить каких материальных и интеллектуальных затрат стоят современные исследования, позволяющие проникнуть внутрь микромира и освоить внеземное пространство, понять, как чрезвычайна велика проблема сохранения природы. Человек, обладающий хотя бы общими естественно -научными знаниями, будет действовать непременно так, чтобы польза от его деятельности сочеталась с бережным отношением к природе. Таким образом, логичным шагом стало введение в гуманитарных учебных заведениях курса “Концепции современного естествознания”. Структура изложения этого курса в данном пособии такова. Весь курс разбит на семь глав. В главе “Естествознание в системе науки и культуры” дается общая характеристика естествознания как составной части всей науки и всей человеческой культуры в целом, рассматривается методология естествознания, его связь с философией, отмечается особая роль 8 математики в естествознании. Особое внимание уделяется тенденциям развития современного естествознания – соотношению между дифференциацией и интеграцией знания на современном этапе развития науки. В главе “История естествознания” рассматриваются основные исторические этапы развития естествознания: от античных времен до начала XIX в. анализируется процесс возникновения естествознания от эмпирического знания до последовательной его теоретизации и становления самостоятельных научных дисциплин – математики, астрономии, физики. В главе “Развитие физических концепций” рассматривается последовательность физических картин мира: механистическая картина (классическая механика Ньютона и термодинамика), электромагнитная картина (теория электромагнетизма Максвелла), релятивистская картина (теория относительности Эйнштейна) и квантовомеханическая картина микромира. Здесь анализируются космологические проблемы, рассматривается расширение Вселенной и концепция Большого Взрыва. В этом же разделе дается классификация фундаментальных взаимодействий и элементарных частиц. В главе “Развитие химических концепций” рассматривается учение о составе вещества, излагаются стехиометрические законы, основные положения атомно-молекулярного учения, периодический закон Менделеева и электронное строение атома; анализируется также структура химических систем и излагаются основные положения теории химического строения Бутлерова и теории химической связи; рассматриваются физико-химические закономерности протекания химических процессов. В главе “Особенности биологического уровня организации материи” в общих чертах представлена биологическая картина мира: рассматриваются свойства живых систем, уровни их организации, дается систематика живой природы. Здесь же рассматриваются закономерности биологической эволюции, современное понимание сущности жизни и ее происхождения на Земле, излагаются с общих позиций основы генетики, генной инженерии и биоэтики. Особое внимание уделяется учению Вернадского о биосфере – глобальном уровне организации живой природы. В главе “Современная наука о человеке” анализируются современные представления о взаимосвязи сознания и мозга, роли сознательного и бессознательного в жизни человека, а также о здоровье и работоспособности человека как комплексной научной и социальнопрактической проблеме. 9 В главе “Системный подход в естествознании” основное внимание уделяется принципам эволюции систем и самоорганизации в живой и неживой природе. Содержание предлагаемого учебного пособия призвано помочь студентам сформировать представление о целостной естественнонаучной картине Природы. ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ В СИСТЕМЕ НАУКИ И КУЛЬТУРЫ 2. Естествознание, представляющее неотъемлемую и важную часть всей духовной культуры человечества, является сложной разветвленной системой множества наук, взаимодействующих как между собой, так и с науками, не входящими в эту систему – общественными, гуманитарными, техническими. 2.1. Естественно -научная и гуманитарная культуры В XX в. установилось деление культуры на естественнонаучную и гуманитарную. Гуманитарные науки, конечно, имеют свою специфику по сравнению с естествознанием. Гуманитарное знание тесно связано с герменевтикой как искусством истолкования текстов, проникновения во внутренний мир другого индивида, понимания его мыслей и переживаний. Здесь объективное знание неотделимо субъективно-пристрастных оценок. В истории науки и философии существуют две крайние точки зрения по вопросу о соотношении естественно -научной и гуманитарной культур. Сторонники первой из них заявляют, что именно естествознание с ее точными методами исследования должно стать образцом, которому должны подражать гуманитарные науки. Наиболее радикальными представителями этой точки зрения являются позитивисты, которые считают идеалом науки математическую физику, а методом построения любого научного знания – аксиоматикодедуктивный способ математики. Защитники противоположной позиции справедливо утверждают, что подобный взгляд не учитывает всей сложности и специфики гуманитарного исследования и поэтому является явно утопическим и мало продуктивным. Некоторые крайние сторонники этой позиции даже отказываются признать какую-либо общность и единство между гуманитарным и естественно -научным познанием. Однако, определенное различие естествознания и гуманитарного знания не отменяет наличия и сходства между ними, общих закономерностей развития тех и других. Как и в естествознании, так и в гуманитарных науках усиливаются интеграционные процессы и за счет прямых связей между науками, и за счет общих методов исследования. Обогащается техническое оснащение гуманитарных исследований (компьютеризация, разнообразное оборудование психологических лабораторий, использование радиоизотопных методов 10 определения возраста археологических находок и т.п.). Тем самым устанавливаются связи гуманитарных наук с естественными науками, которые тоже заинтересованы в этом. Так, результаты логических и лингвистических исследований используются в разработках информационных средств естествознания. Все большее значение приобретают совместные разработки естественников, гуманитариев, обществоведов и философов в сфере этических и правовых проблем науки. Актуализируются экономические и юридические вопросы организации науки, возрастает роль науковедческих разработок. В последние годы под влиянием научно-технической революции и возникновения таких новых общенаучных методов исследования, как системный подход, концепции самоорганизации и эволюции, прежняя конфронтация между естествоиспытателями и гуманитариями значительно ослабла. Гуманитарии поняли важность и необходимость использования в своей науке не только технических и информационных средств естествознания и точных наук, но и эффективных научных методов исследования, которые первоначально возникли в рамках естествознания. Экспериментальный метод из естественных наук проникает в общественные и гуманитарные науки (социологию, психологию и др.). В современных исследованиях применяются эксперименты различных видов: исследовательский, поисковый, проверочный, воспроизводящий, изолирующий, качественный, количественный, физический, химический, биологический, социальный. С теоретизацией и математизацией наук связано распространение мысленного эксперимента. Следует остановится еще на одном важном моменте – связи философии и естествознания. Эта связь существовала на всех этапах развития науки и была обусловлена необходимостью мировоззренческого осмысления эволюции основных естественнонаучных понятий (время, пространство, масса, энергия и т.д.) и интерпретацией новых естественнонаучных теорий (квантовой механики, теории относительности, теории эволюции и т.д.). В условиях научных революций, состоящих в коренном изменении фундаментальных представлений, философские проблемы естествознания становятся наиболее актуальными. Ученый-естествоиспытатель, осмысливая полученные результаты, часто неосознанно ставит перед собой вопрос об отношении содержания понятий, теорий его отрасли знаний к объективной реальности. И хотя он может полагать, что не занимается философией, этот вопрос носит философский характер, а ответ на него необходим для развития науки. 11 2.2. Принципы, формы и методы научного познания При рассмотрении процесса познания в естественных, технических, социальных и гуманитарных науках в целом, с общих позиций, можно заметить, что существуют некоторые общие принципы научного мышления, правила и способы деятельности. Это свидетельствует, с одной стороны о взаимосвязи и единстве этих наук, а с другой стороны – об общем, едином источнике их познания, которым служит окружающий нас объективный мир: природа и общество. Каждая наука, бесспорно, обладает своим собственным набором средств и методов исследования (например, оптические, радиотехнические, статистические методы). Эти частные, специальные приемы и способы исследования в разных науках могут заметно отличаться друг от друга. В этом смысле приемы и методы познания конкретных наук составляют тактику исследования, а общие принципы научного познания действительности – его стратегию. 2.2.1. Общие принципы научного познания Рассмотрим кратко основные принципы научного познания: принцип причинности; материалистический подход к рассмотрению природы; признание практики как критерия истины; принцип относительности знания. Причинность понимается как необходимая обусловленность одного явления (следствия) другим явлением (причиной). Следствие, определяясь причиной, оказывает обратное воздействие на причину. Причинно-следственная связь носит объективный характер и лежит в основе всех остальных форм связи явлений (пространственных, временных, функциональных и т.д.). Признание объективного характера причинности свидетельствует о материалистическом подходе естествоиспытателей к явлениям природы, в отличие от идеалистов, утверждающих, что причинность вносится в мир явлений разумом человека. Материалистический подход к рассмотрению природы основан на понимании природы как объективной реальности. В качестве критерия истины в научном познании признается практика. Научная истина проверяется только практикой – наблюдениями, опытом, экспериментами, производственной деятельностью. Так, естественно -научные теории проверяются экспериментом, связанным с наблюдениями, измерениями и математической обработкой результатов. 12 Относительность научного знания: любое научное знание (понятия, идеи, концепции, модели, теории, выводы из них и т.д.) всегда относительно и ограничено. Задача ученого – установить границы соответствия знания действительности. Подтверждение экспериментом научных теорий еще не означает абсолютной истины: научные теории развиваются, обогащаются, уточняются, некоторые их положения заменяются новыми. Например, классическая механика описывает движение макроскопических тел, скорости которых малы по сравнению со скоростью света; квантовая механика – движение микрочастиц при небольших скоростях; релятивистская квантовая механика – движение микрочастиц при скоростях, сравнимых со скоростью света. 2.2.2. Формы научного познания К формам научного знания обычно относят проблемы, гипотезы, теории, а также – идеи, принципы, категории и законы. Факты также относят к форме знания, хотя обычно под фактами понимаются явления самой действительности. Однако, хорошо известно, что бывают ложные факты, фактызаблуждения (многие столетия за факт считали, что Солнце вращается вокруг Земли и т.п.). Поэтому под фактом следует понимать не само по себе какое-либо явление действительности, а наше знание, которое достоверно сообщает нам о наличии этого явления. Это означает, что факты, как и все другие формы знания, нуждаются в исключительно строгой проверке на истинность, так как на фактах основывается все научное знание, все теоретические построения. Проблема определяется как “знание о незнании”, как осознанный учеными вопрос, для ответа на который, имеющихся знаний недостаточно. Уметь правильно выбрать и поставить научную проблему очень важно. Любое научное исследование начинается с выдвижения проблемы, что свидетельствует о возникновении трудности в развитии науки, когда вновь обнаруженные факты не удается объяснить в рамках существующих представлений. В качестве пробного решения сформулированной проблемы выдвигается некоторая гипотеза, из которой по правилам логики выводятся следствия, допускающие проверку с помощью наблюдений и экспериментов. Научная гипотеза – это такое предположительное знание, истинность или ложность которого еще не доказана, но которое выдвигается не произвольно, а при соблюдении ряда правил - требований: 13 отсутствие противоречий: предлагаемая гипотезы не должна противоречить известным и проверенным фактам; соответствие новой гипотезы надежно установленным теориям (например, после открытия закона сохранения и превращения энергии все новые предложения о создании “вечного двигателя” просто не рассматриваются); доступность выдвигаемой гипотезы практической, экспериментальной проверке (хотя бы в принципе); максимальная простота гипотезы. Если следствия из гипотезы не согласуются с эмпирическими данными, то опровергается сама гипотеза. Если следствие из гипотезы подтверждается, то можно говорить о той или иной степени вероятности гипотезы. Чем больше будет найдено фактов, подтверждающих гипотезу, тем выше ее вероятность. Теория отличается от гипотезы достоверностью, доказанностью. Следует иметь в виду, что термин “теория” имеет множество смыслов. В самом широком значении теорию понимают как знание вообще. Теория в научном смысле – это система истинного, уже доказанного, подтвержденного знания о сущности явлений, высшая форма научного знания, всесторонне раскрывающая структуру, функционирование и развитие изучаемого объекта, взаимоотношение всех его элементов, сторон и связей. Для понимания специфики теории как формы знания очень важно учитывать, что все теории оперируют не реальными объектами, а их идеализациями, идеальными моделями, которые неизбежно абстрагируются от каких-то реальных сторон объектов и поэтому всегда дают неполную картину действительности. Это обязательно надо учитывать на стадии перехода от разработки или усвоения теории к ее применению на практике. Главные элементы теории – ее принципы и законы. Принципы – наиболее общие и важные фундаментальные положения теории. Как обобщающий результат предыдущего познания в данной теории принципы всесторонне раскрываются и обосновываются. При самом построении и изложении теории принципы играют роль исходных, основных и первичных посылок, закладываются в сам фундамент теории. Основные аспекты содержания каждого принципа раскрываются в совокупности законов и категорий теории. Законы конкретизируют принципы, раскрывают механизм их действия, взаимосвязь вытекающих из них следствий. 14 Категории науки – наиболее общие и важные понятия теории, характеризующие существенные свойства объекта теории, ее предмета. Принципы и законы выражаются через соотношение двух и более категорий. Теория, раскрывая сущность объектов, законы их существования, взаимодействия, изменения и развития, позволяет объяснять явления, предсказывать новые, еще не известные факты и характеризующие их закономерности, прогнозировать (более или менее успешно) закономерное поведение изучаемой системы в будущем. Таким образом, теория выполняет две важнейшие функции: объяснение и предсказание, т.е. научное предвидение. 2.2.3. Методы научного исследования Методы научного познания включают общечеловеческие приемы мышления (анализ, синтез, сравнение, обобщение, индукцию, дедукцию и т.п.), а также способы эмпирического и теоретического исследования (наблюдение, эксперимент, измерение, аналогию, моделирование, идеализацию, интуицию и т.п.). В научном исследовании можно выделить эмпирическую (опытную) и теоретическую стадии познавательной деятельности. На эмпирической стадии используют главным образом методы, опирающиеся на чувственно-наглядные приемы и способы познания, к которым относят систематические наблюдения, эксперимент и измерения. Наблюдение – целенаправленное, организованное восприятие предметов и явлений. Наблюдения являются первоначальным источником информации, но в науке они существенным образом зависят от теории: в науке редко бывают открытия, связанные с совершенно случайными, заранее не предусмотренными наблюдениями. Систематичность, контролируемость и тщательность, – характерные требования для научного наблюдения. Научные наблюдения проводятся для сбора фактов, укрепляющих или опровергающих ту или иную гипотезу, выступающих основой для определенных теоретических обобщений. Обыденное наблюдение ограничено биологическими возможностями органов чувств. Но благодаря развитию техники, созданию и применению для целей научного познания специальных инструментов, приборов, диапазон чувственно воспринимаемых явлений неограниченно расширяется. Однако, в наблюдении всегда сохраняется полная зависимость наблюдателя от изучаемого процесса, явления, его неучастие в процессе. Наблюдатель не может изменять объект, регулировать само протекание процесса, управлять им и контролировать его. 15 Эксперимент – способ исследования, отличающийся от наблюдения активным характером, преобразующим воздействием на объект изучения. Эксперимент позволяет, вопервых, изолировать исследуемый объект от влияния побочных, несущественных для него, скрывающих его собственную сущность явлений, изучать объект в "чистом" виде. Вовторых, в ходе эксперимента многократно воспроизводится ход процесса в строго фиксированных, контролируемых условиях. В-третьих, эксперимент позволяет планомерно изменять само протекание изучаемого процесса, состояния объекта изучения вплоть до превращения его в другие, еще не известные объекты. Все это подчинено решению проблемы, в связи с которой ставится эксперимент. Научный эксперимент представляет важную часть современной человеческой практики. Эксперимент – важнейший метод эмпирического исследования, который специально ставится так, чтобы можно было наблюдать процессы и явления в условиях, меньше всего подверженных воздействию посторонних факторов. Со времени Галилея, впервые осуществившего контролируемый и математически обработанный эксперимент, многие естественные науки совершили гигантский скачок в своем развитии именно благодаря эксперименту. Поэтому этот метод и получил наибольшее применение в естествознании. В настоящее время эксперимент значительно усложнился как по своей технической оснащенности, так и по взаимодействию с теорией, что нашло свое выражение в теории планирования эксперимента и методах статистической обработки его результатов. В ходе наблюдения и эксперимента, как правило, проводится такая процедура, как измерение, объективная количественная оценка исследуемых явлений. Измерение – это материальный процесс сравнения какой–либо величины с эталоном, единицей измерения. Число, выражающее отношение измеряемой величины к эталону, называется числовым значением этой величины. Значение же величины, принятое за единицу (1 см, 1 м, 1 г, 1 кг и т.п.), называется размером единицы. Измерения не являются особым эмпирическим методом, а составляют необходимое дополнение любого серьезного научного наблюдения и эксперимента. В настоящее время для обработки их результатов применяется техника и вычислительные методы, использующие компьютеры. Очень важна проблема влияния процедур, применяемых в наблюдении, эксперименте и измерении, на изучаемый объект. В современной науке учитывается принцип относительности свойств объекта к средствам наблюдения, эксперимента и измерения. В то время как 16 в классической физике взаимодействием между объектом и прибором можно пренебречь, в квантовой физике это взаимодействие составляет существенную часть явления. Аналогия – прием познания, при котором на основании сходства объектов в одних признаках заключают об их сходстве и в других свойствах. Тот факт, что сходные в одном отношении объекты сходны и в некоторых других отношениях, лежит в основе не только аналогии как особого познавательного приема, но и метода моделирования. Моделирование – это замена изучения интересующего нас явления в натуре изучением аналогичного явления на модели меньшего или большего масштаба, обычно в специальных лабораторных условиях. Основной смысл моделирования заключается в том, чтобы по результатам опытов с моделями можно было дать необходимые ответы о характере эффектов и о различных величинах, связанных с явлением в естественных условиях. Моделирование применяется тогда, когда трудно или невозможно изучать объект в естественных условиях. Моделирование активно используется при изучении человеческого мышления, функционирования мозга, социальных явлений с помощью быстродействующих электронных машин. В любом случае нельзя забывать, что модель и оригинал не тождественны, а только сходны, что модель лишь приближенно отображает исследуемый объект, огрубляет и упрощает его. Идеализация – процесс абстрагирования, мысленного создания понятий об идеализированных объектах, которые в реальном мире не существуют, но имеют прообраз. Примеры идеализаций – “точка” в геометрии, “абсолютно черное тело”, “идеальный газ” в физике. Образование подобных понятий достигается посредством предельного абстрагирования от свойств реальных предметов. Так, в геометрии абстрагирование от наличия у реальных объектов величины и частей приводит к понятию точки. Идеализации создаются для того, чтобы мысленно оперировать с ними как с реально существующими объектами и конструировать идеальные схемы реальных процессов, помогающие более глубокому познанию этих объектов. Фактически идеализации используются как воображаемые модели реальных объектов. Обычно законы науки и другие теоретические положения строго и точно применимы только к идеализациям. Интуиция – способность постижения истины путем прямого ее усмотрения; вид непосредственного знания, которое возникает как бы внезапно, вспышкой, неожиданно озаряя человека, до этого долго бившегося над ответом на мучивший его вопрос. Мыслители прошлого и современности, интересовавшиеся этими вопросами, понимали интуицию различным образом. Но они сходятся в одном, подчеркивая элемент непосредственности ин17 туитивного познания, неосознанности самого способа его осуществления. В сознании человека интуиция проявляет себя только своим результатом. Лишь после того, как задача решена, ход ее решения может быть осознан и проанализирован. Характер используемых в конкретной науке методов определяется в первую очередь спецификой ее предмета. Но в процессе взаимопроникновения, дифференциации и интеграции научного знания типичными становятся ситуации, когда один предмет изучается несколькими методами, а несколько разных предметов – одним каким-то общим методом. Методы физики проникают в химию, методы физики и химии – в биологию (и наоборот). Молекулярная биология широко использует методы химии, молекулярной физики, рентгеноструктурного анализа и т.п. 2.2.4. Особая роль математики в естествознании Выдающийся итальянский физик и астроном Галилео Галилей (1564–1642), один из создателей естествознания утверждал: “Тот, кто хочет решить вопросы естественных наук без помощи математики, ставит неразрешимую задачу. Следует измерять то, что измеримо, и делать измеримым то, что таковым не является”. Особая роль математики в естествознании обусловлена тем, что она является всеобщим универсальным языком для различных естественных наук, пронизывает все основные стадии современного естественнонаучного процесса познания, такие как: сбор и обработка количественной информации; формулировка законов в строгой математической форме; построение математического аппарата; моделирование природных процессов и явлений. Необходимая для естествознания математика начинается с простого счета и всевозможных измерений. По мере своего развития естествознание использует все более совершенный математический арсенал высшей математики: дифференциальное и интегральное исчисление, дифференциальные уравнения, теорию вероятностей и математическую статистику и т.д. Математика – это тот цемент, который связывает воедино науки, входящие в естествознание и позволяет взглянуть на него как целостную науку. Особое значение для современной науки в целом и естествознания, в частности, имеют методы вычислительной математики, кибернетики (науки об управлении), общей теории систем, синергетики (науки о самоорганизующихся системах). В самых различных науках 18 используются методы математической гипотезы и модельного эксперимента. Показательно, что логико-математические методы в современном научном познании активно дополняются интуицией, роль которой не уменьшается, а даже возрастает с усложнением решаемых задач. 2.3. Естествознание и научная картина мира 2.3.1. Понятие научной картины мира Понятие научная картина мира активно используется в естествознании и философии с конца XIX в. Специальный анализ его содержания стал проводиться более или менее систематически с 60-х годов XX в. Существуют общенаучные картины мира, и картины мира с точки зрения отдельных наук – физическая, биологическая, астрономическая и т.п.; с точки зрения каких-то господствующих, просто авторитетных в то или иное время представлений, методов, стилей мышления – вероятностно-статистическая, эволюционистская, системная, информационно-кибернетическая, синергетическая и т.п. картины мира. В мировоззренческом и методологическом отношении научные картины мира выполняют функции связующего звена между философией и отдельными науками, специальными научными теориями. Научная картина мира включает в себя важнейшие достижения науки, создающие определенное понимание мира и места человека в нем. В нее не входят более частные сведения о свойствах различных природных систем, о деталях самого познавательного процесса. При этом научная картина мира не является совокупностью общих знаний, она представляет целостную систему представлений об общих свойствах, сферах, уровнях и закономерностях природы. Научная картина мира в отличие от строгих теорий обладает необходимой наглядностью, характеризуется сочетанием абстрактно-теоретических знаний и образов, создаваемых с помощью моделей. Наиболее показательные особенности различных картин мира выражаются в присущих им стереотипах в понимании объективных процессов и способов их познания, интерпретации, стилях мышления и т.п. Таким образом, научная картина мира – это особая форма систематизации знаний, преимущественно качественное обобщение и мировоззренческо -методологический синтез различных научных теорий. 2.3.2. Историческая смена физических картин мира В существующей исторической и методологической литературе наиболее подробно проанализирована историческая эволюция физических картин мира. 19 В XVI–XVII вв. вместо натурфилософской утвердилась механистическая картина мира, распространившая на все явления в мире законы механики Галилея-Ньютона, которые принимались за основу всех других законов природы. Господствующее положение в научном познании в духе этой картины мира занял односторонний анализ, разделивший мир на группы обособленных и неизменных самих по себе явлений. В XIX в. в рамках механистической картины сложилась термодинамическая картина мира, основанная на молекулярно-кинетической концепции и вероятностно-статистических законах. Окончательное крушение механистической картины мира вызвала концепция электромагнитного поля, развитая М. Фарадеем и Дж. К. Максвеллом во второй половине XIX в. Если до Максвелла физическая реальность мыслилась в виде материальных точек, то после него физическая реальность предстала в виде непрерывных полей, не поддающихся механистическому объяснению. Наступила эра принципиально новой физической картины мира, трансформировавшейся в XX в. в релятивистскую и квантовомеханическую картины мира. Научная картина мира служит промежуточным звеном между философией и теорией конкретной науки (например, – физики, если речь идет о физической картине мира). Научная картина мира, с одной стороны, основывается на идеях, представлениях философии; с другой стороны – опирается на эмпирический базис соответствующей науки. Из взаимодействия этих источников и рождаются новые теоретические принципы и категории конкретной науки. В XX в. на роль лидера научного познания наряду с физикой претендует и биология, к которой относятся такие мощные направления, как эволюционное учение, генетика и экология, ставшая наукой о биосфере в целом. Биологическая картина мира (к которому принадлежит и человек) соседствует с аналогичными построениями, основанными на системных исследованиях, кибернетике и теории информации. В последние годы на первый план все больше выходит новое междисциплинарное направление исследований, именуемое синергетикой, порожденное переходом науки к познанию сложно организованных эволюционирующих систем. Это направление возникло в начале 70-х годов и связано в первую очередь с именами И. Пригожина и Г. Хакена. Синергетика ставит целью познание общих принципов самоорганизации систем самой разной природы, – от физических до социальных, лишь бы они обладали такими свойствами, как открытость, нелинейность, неравновесность, способность усиливать случайные флуктуа- 20 ции. Предмет синергетики – это прямые и обратные переходы систем от стабильности к нестабильности, от хаоса к порядку, от разрушения к созиданию. 2.4. Панорама современного естествознания Нет смысла перечислять все достижения естествознания – каждый из нас знает технологии, рожденные естественнонаучными достижениями, и пользуется ими. В основном, передовые технологии базируются на естественнонаучных открытиях последних десятилетий XX в. С течением времени наблюдается изменение функции науки и, в первую очередь, – естествознания. Если раньше основная функция науки заключалась в описании, систематизации и объяснении исследуемых объектов, то сейчас наука становится неотъемлемой частью производственной деятельности человека. 2.4.1. Естествознание в аспекте научно-технической революции Под научно-технической революцией (НТР) понимается качественное преобразование производительных сил на основе превращения науки в ведущий фактор развития производства. Начало НТР относится к середине 40-х годов XX в., когда наука подошла к овладению атомной энергией, к созданию и широкому применению электронно- вычислительных машин, к развитию практической космонавтики. На стадии НТР наука становится непосредственной производительной силой, ее взаимодействие с техникой и производством резко усиливается, качественно ускоряется внедрение новых научных идей в производство, которое, воспринимая эти идеи, может развиваться лишь на основе научных открытий. НТР приводит к усилению взаимодействия самих наук в комплексных исследованиях сложных проблем. Вместе с этим усиливается воздействие науки на общество и природу, что становится не только фактором прогресса, но и причиной ряда трудно решаемых глобальных проблем. Усиление роли науки сопровождается усложнением ее структуры, возникновением организаций, связывающих фундаментальные, теоретические исследования с прикладными исследованиями, и далее с самим производством. Все более тесным становится взаимодействие естественных, технических, общественных и гуманитарных наук. 2.4.2. Тенденции развития естествознания С точки зрения истории науки человечество в своем познании прошло несколько стадий, представляющих различные тенденции развития науки вообще и естествознания – в частности. На первой из этих стадий сформировались общие представления об окружающем нас мире как о чем целом, едином, выразившиеся в натурфилософии. С XV–XVI вв. после21 довала аналитическая стадия познания природы, характеризуемая расчленением единой науки древности, приведшим к появлению отдельных самостоятельных естественных наук: астрономии, физики, химии, биологии а также целого ряда других, более частных естественных наук. Переход науки к аналитической стадии был связан с разработкой экспериментального метода исследования природы, введенного в науку Галилео Галилеем (1564– 1642). Занявшись изучением свободно падающих тел, Галилей сформулировал управляющие ими законы, и заложил основы механики, которую превратил в научную дисциплину знаменитый английский ученый И. Ньютон (1643–1727). Вслед за этим постепенно формируются физика, химия, биология и другие фундаментальные науки о природе. Дифференциация знания, осуществляемая по принципу ”одна наука – один предмет”, определяла главную тенденцию в развитии науки XIX в. Дифференциация научного знания служит необходимым этапом в развитии науки и направлена на более тщательное и глубокое изучение отдельных явлений и процессов определенной области действительности. Узко дисциплинарный подход, однако, таит опасность превращения науки в совокупность узких обособленных областей исследования, а ученых – в узких специалистов, перестающих видеть место своих работ в общей картине целостного объективного мира. К счастью, сама наука выработала средства и методы для преодоления ограниченности дисциплинарного подхода к изучению мира. В XX в. появилась тенденция к объединению методов исследования различных наук, – интеграции знания. Интеграционные процессы в современном естествознании характеризуются образованием комплексов взаимодействующих наук на основе изучения единого объекта с привлечением методов исследования многих наук, созданием общенаучных теорий (теория электромагнетизма, квантовая механика, теория строения атома), выработкой общенаучных понятий (энтропия, симметрия, информация, система и т.д.). Интеграция знания способствовала образованию междисциплинарных наук – новых наук, находящихся на стыке нескольких традиционных наук, возникающих в результате объединения их методов исследования в рамках новой самостоятельной научной дисциплины. Так возникли биофизика, биохимия, астрофизика, геофизика, геохимия и т.д. (рис.1.1). 22 ГЕОЛОГИЯ геохимия геофизика физическая химия биогеохимия ХИМИЯ ФИЗИКА химическая физика биохимия биофизика БИОЛОГИЯ Рис.1.1. Схема взаимосвязи основных естественных наук. Интегрирующую, синтезирующую функцию выполняют такие общие науки, как термодинамика, кибернетика и синергетика, изучающие определенные аспекты многих форм движения (процессы управления, самоорганизации систем и др.), или предельно общие науки, объединяющие фактически все другие отрасли знания, – математика и философия. Синтезирующую роль играют и проблемные науки (типа онкологии), решающие комплексные проблемы с использованием данных и методов целого ряда других наук. В последнее время тенденция к интеграции наук становится ведущей, доминирующей. Особое значение в наше время приобретает системный метод, который дает возможность рассматривать предметы и явления в их взаимосвязи и целостности. Именно поэтому системный метод, является наиболее эффективным средством интегративных исследований. Усиливается связь, как отдельных наук, так и науки в целом с материальным производством, духовной культурой, со всеми сторонами жизни общества. Более того, возникли комплексные отрасли научно-технической деятельности, в которых наука, производство слиты нераздельно. Такова системотехника, биотехнология и т.п. 2.4.3. Проблема классификации наук Сложная, разветвленная система многочисленных и многообразных по типу современных наук, различаемых и по объекту, и по предмету, и по методу, и по степени общности и фундаментальности знания, и по сфере применения и т.п., практически исключает единую классификацию всех наук по какому-либо одному основанию. В самом общем виде науки делятся на естественные, технические, общественные (социальные) и гуманитарные. Сю- 23 да же могут быть вписаны сельскохозяйственные, медицинские и психолого- педагогические науки. Далее следует детализировать каждый из этих блоков. К естественным относятся: науки о космосе, его строении и эволюции (астрономия, космология, космогония, астрофизика, космохимия и др.); о Земле (геология, геофизика, геохимия и др.); о физических, химических и биологических системах и процессах (формах движения материи); о человеке как биологическом виде, его происхождении и эволюции (цикл антропологических наук). Общественные науки – это социология (она сама разветвляется на ряд подразделений), политология, группа политических и идеологических наук, экономические, юридические, управленческие и другие науки. Гуманитарные науки – это науки о человеке как социальной личности, как одухотворенном субъекте, о его духовном, внутреннем мире, о человеческих взаимоотношениях и духовной культуре общества (психология как совокупность наук о психике человека, его эмоциях и чувствах, логика, литературоведение, искусствоведение, история, науки о языке и др.). Между всеми блоками наук имеются связующие звенья; одни и те же науки могут частично входить в разные блоки, особенно подвижна грань между общественными и гуманитарными науками. Особое место в системе наук занимают философия, математика, механика, термодинамика, кибернетика, синергетика и другие подобные им науки в силу своего общего характера. 3. ИСТОРИЯ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ В систему современного естествознания, наряду с новыми науками о природе, входят и такие исторические области знаний, как древнегреческая натурфилософия, естествознание средневековья и классическое естествознание до начала XX в. Даже краткий обзор всех достижений естествознания в эти периоды опирается обширный материал, изложить который в рамках предлагаемого курса во всей полноте не представляется возможным. Поэтому рассмотрим краткую историю естествознания с древних времен до начала XIX в., ознаменованного созданием в физике теории электромагнетизма и термодинамики, и – становлением естественных наук – химии и биологии. Эти этапы 24 развития естествознания будут рассмотрены совместно с изучением основных современных концепций естествознания – физических, химических, биологических. 3.1. Зарождение эмпирического научного знания Зачатки знаний о природе тонут в глубокой древности. Уже первобытный человек в борьбе с природой. добывая себе пищу, одежду, жилище, защищаясь от диких зверей, постепенно накапливал знания о природе, о ее явлениях, о свойствах материальных вещей, окружавших его. Но знания первобытного человека еще не представляли науки; не были систематизированы, не были объединены какой-либо теорией. Связанные с производственной деятельностью человека, с добыванием средств к существованию, эти средства являлись его непосредственным практическим опытом. Знания были невелики и накапливались в течение десятков и сотен тысяч лет, передавались устно из поколения в поколение. В процессе усложнения и разделения первоначально недифференцированного труда, развития ирригационного земледелия, строительства храмов и пирамид, возникновения письменности появилась необходимость и вместе с тем возможность перехода от познания, непосредственно включенного в материальный труд, к специальной познавательной деятельности, направленной на сбор информации, ее проверку, накопление и сохранение, а также передачу знаний от поколении к поколению. Такая деятельность и одновременно ее результат (знание) и стали называться наукой (лат. scientia – знание, наука). Произошло это в III–II тысячелетии до н.э. Первыми профессионально заниматься наукой стали жрецы. В Египте, Вавилоне, Индии, Китае отдельные науки (особенно астрономия и математика) достигли высоких ступеней развития. Вавилоняне владели способами приближенного извлечения квадратного корня, решения квадратных уравнений. Они изобрели шестидесятеричную систему счисления, особенно удобную для астрономических вычислений. От этой системы и идет современный счет минут (1 час = 60 мин = 3600 с). Наблюдения за планетами позволили вавилонянам вычислить период, равный 223 лунным месяцам, в течение которого происходит в среднем 41 солнечное и 29 лунных затмений. Как видим, древние вавилоняне имели значительные достижения в арифметике, алгебре, геометрии и астрономии. Древнеегипетская культура возникла приблизительно в одно время с культурой Древнего Вавилона. Вплоть до середины II тысячелетия до н.э. в Египте еще не было четко сложившегося класса жрецов; после того как они выделились в особую социальную прослойку, роль их в научном познании увеличилась. К астрономическим и математиче25 ским занятиям жрецов подталкивала связь древнеегипетской религии с необходимостью объяснения явлений, имевших практически-хозяйственное значение. Например, – со своевременными предсказаниями ежегодных разливов Нила. Одно из выдающихся достижений египтян – введение солнечного календаря. Египтянами раньше других была определена продолжительность года – 365,25 дней. Год делился на 12 месяцев по 30 дней, к каждому году добавлялось по 5 дней, но високосные годы не вводились. Египтяне установили значение числа , точную формулу для вычисления объема усеченной пирамиды с квадратным основанием, площадей треугольника, прямоугольника, трапеции, круга. Их знания переняли греки. В Египте же возникло и химическое ремесло, которое считалось священным и было окружено таинственностью. Как геометрия сформировалась из практической потребности земледелия, так и возникновение химии было вызвано потребностями практики. На Востоке – в Индии и Китае – также была известна практическая химия. В Китае изобрели порох и крашение. В Персии были известны металлургия, гончарное дело. В Ветхом Завете упоминаются шесть металлов: железо, свинец, олово, медь, серебро и золото. Медь была известна с доисторических времен не только в свободном состоянии, но и в виде бронзы – сплава с оловом. В эпоху, соответственно названную бронзовым веком, бронза применялась при изготовлении домашней утвари, предметов украшения, оружия и т.д. Железо стало известно позже, чем бронза и медь. В Египте еще за тысячелетие до н.э. из железа делали домашнюю утварь. Со свинцом люди познакомились позже, чем с железом, – за несколько столетий до н.э. Свинец использовали для чеканки монет, изготовления водопроводных труб. Применяли древние и латунь – сплав меди с цинком. За несколько столетий до н.э. грекам была известна ртуть, знали они и способ получения стекла. Однако первоначально науки были сугубо опытными, эмпирическими и прикладными как по содержанию знания, так и по способу его получения и обоснования. Математические и другие правила и приемы наблюдения, измерения и расчетов были довольно сложными и логически не связанными между собой, они годились лишь для отдельных случаев, так как не основывались на более простых и общих положениях. Первый этап становления науки следует считать дотеоретическим, дофилософским. Эмпирическое научное знание длительное время существовало как явление, подчиненное религиозно-мифологическому мировоззрению. С возникновением и развитием рабовладельческого общества появляются условия для научного обобщения знаний. Выделяется группа людей, поставленных в соответствующие 26 условия и способных осмыслить накопленные знания, способных привести их в систему и в какой-то мере раскрыть связи и закономерности в явлениях природы. Появляется наука, а вместе с ней и люди, занимающиеся этой наукой. 3.2. Античная наука В древней Греции представления о природе складывались в рамках единой нерасчлененной науки – натурфилософии, характеризуемой непосредственным созерцанием окружающего мира как единого целого и умозрительными выводами. Древнегреческие философы- мудрецы, не прибегая к систематическому исследованию и эксперименту, на основе еще бедного научного материала пытались единым взглядом охватить и объяснить всю окружающую действительность. Возникновение и расцвет древнегреческой науки относят к VI–IV вв. до н.э. и связывают, прежде всего, с ионийской философской школой, отличавшейся стихийно-материалистическими взглядами. Ее представители – крупные мыслители древности: Фалес, Анаксимандр, Гераклит Эфесский, Диоген Аполлонийский – руководствовались основной идеей о единстве сущего, происхождении всех вещей из некоторого первоначала (воды, воздуха, огня), а также о всеобщей одушевленности материи. Родоначальник античной натурфилософии Фалес прославился, удачно предсказав солнечное затмение, наблюдавшееся в Греции в 585 г. до н.э. Фалеса называют гидроинженером, он известен также своими трудами по географии, астрономии и физиологии. В противовес материалистической линии в древнегреческой науке начинает развиваться и идеалистическое направление. Первой идеалистической философской школой в древней Греции была пифагорейская философская школа, основателем которой был известный философ-математик античного мира Пифагор (около 571–497 до н.э.). В своем учении представители пифагорейской философской школы особое место отводили математике, считая, что в основе всего сущего лежит число, а вся Вселенная является всеобщей гармонией чисел. Заслугой философов-пифагорейцев являлось то, что они ввели идею существования количественных закономерностей, хотя и в искаженной форме. В пифагорейской философской школе впервые была выдвинута идея о шарообразной форме Земли, развита пироцентрическая концепция мира (от гр. pyr – огонь), согласно которой в центре Вселенной находится центральный огонь, вокруг которого вращаются Земля, Солнце, Луна и планеты. Пироцентрическая концепция, при всей ее примитивности, содержала первую догадку о движении Земли. 27 Материалистическая линия в древней науке получила свое дальнейшее развитие в античной атомистике, – материалистическом учении о дискретном строении материи, появившемся в Греции в V в. до н.э., одним из основателей которого был великий философ древности Демокрит (460–370 до н.э.). Он учил, что все существующее состоит из пустоты и атомов. Античная атомистика признавала господство строгой причинности в мире и объясняла все различия в природе первоначальным различием атомов. У Демокрита были предшественники, в учении которых уже содержались элементы атомистических представлений. Из его предшественников следует, прежде всего, указать Эмпедокла (495–435 до н.э.), высказавшего совершенно определенно идею о несотворимости и неуничтожимости материи, ставшую одним из основных положений античной атомистики. Эмпедокл прославился не только как философ, но и как врач, физик и физиолог. Он объяснил затмение Солнца прохождением Луны между Солнцем и Землей, догадался о том, что свет распространяется с такой большой скоростью, что мы просто не замечаем длительности его распространения. Любопытны представления Эмпедокла о возникновении животных. По его мнению, сначала появились отдельные органы животных, потом в процессе случайных сочетаний эти органы стали порождать разнообразные существа. Чудовищные объединения органов неизбежно погибали, а выживали только те, в которых части случайно оказались подходящими друг другу. Взгляды Демокрита были развиты в учении Эпикура (342–270 до н.э.), пытавшегося последовательно объяснить мир, его возникновение и развитие без привлечения сверхъестественных и нематериальных категорий. Изложению учению Эпикура, выразившего основные идеи античной атомистики, посвящена знаменитая поэма римского философаматериалиста и поэта Лукреция Кара (99–55 до н.э.) "О природе вещей", являющаяся выдающимся произведением древности. Так, Лукреций образно сравнивает непрерывное хаотическое движение атомов с движением пылинок, которые мы видим, когда луч света проникает в темную комнату: Вот посмотри: всякий раз, когда солнечный луч проникает В наши жилища и мрак прорезает своими лучами, Множества тел в пустоте ты увидишь, мелькая, Мечутся взад и вперед в лучистом сиянии света; Будто бы в вечной борьбе они бьются в сраженьях и битвах, В схватки бросаются вдруг по отрядам, не зная покоя, Или сходясь, или врозь беспрерывно опять разлетаясь. 28 Можешь из этого ты уяснить себе, как неустанно Первоначала вещей в пустоте необъятной метутся. Так о великих вещах помогают составить понятье Малые вещи, пути намечая для их постиженья. Логическое завершение древнегреческая натурфилософия получила в учении Аристотеля (384–322 до н.э.), величайшего мыслителя и философа древней Греции, объединившего и систематизировавшего знания об окружающем мире, накопленные к IV в. до н.э. Основополагающими трактатами, входящими в учение Аристотеля о природе, являются "Физика", "О небе”, “О возникновении и уничтожении", "Метеорологика", содержащие постановку важнейших научных проблем, разрешение которых привело в дальнейшем к возникновению отдельных естественных наук. Аристотель посвятил ряд своих трактатов живой природе ("История животных", "О частях животных", "О движении животных", "О происхождении животных"), явившись, таким образом, основателем раздела биологии – зоологии. Особое внимание Аристотель уделил динамике тел, положив начало изучению механических движений и формированию понятий механики (скорость, сила и т.д.). Космология Аристотеля была основана на геоцентрических представлениях: в центре мира находится Земля сферической формы, окруженная водой, воздухом и огнем; затем идут сферы небесных светил (ближайшая – сфера Луны, наиболее удаленная – сфера неподвижных звезд), вращающиеся вокруг Земли вместе с помещенными на них светилами (рис 2.1). С ф ера непо движ ны х звезд С ф ера С атурна С ф ера Ю питера С ф ера М арса С ф ера С олнца С ф ера В енеры С ф ера М еркурия С ф ера Л уны З емной ш ар Рис. 2.1. Система мира по Аристотелю. 29 3.3. Александрийский период развития науки Развитие древней науки, начиная с III в. до н.э. в значительной степени связано с древним городом Александрией, основанным Александром Македонским. Поэтому рассматриваемый период в развитии науки древности называют александрийским периодом. Его также называют эллинистическим, поскольку такое название дают древней культуре III–I вв. до н.э. Александрийский период характеризуется началом дифференциации знаний, что было ознаменовано выделением из натурфилософии первых самостоятельных научных дисциплин – становлением астрономии как самостоятельной науки, созданием первой области физики – статики (учение Архимеда о равновесии тел) и развитием математики ("Начала" Евклида). Становление астрономии как самостоятельной науки означало приведение в систему астрономических знаний, усовершенствование и развитие измерительных методов. В этот период были проведены измерения окружности Земли и расстояния от Луны до Земли, уточнены положение и движение небесных светил. Крупным астрономом александрийского периода был Аристарх Самосский (первая половина III в. до н.э.), выдвинувший гипотезу о гелиоцентрическом строении Вселенной. За эту теорию Аристарх был обвинен в безбожии и подвергался гонениям. Его учение не получило в то время (а затем в течение всего средневековья) развития и только в XVI в. польский астроном Н. Коперник возродил идеи Аристарха. Другим известным астрономом александрийского периода был Гиппарх (II в. до н. э.). Гиппарх значительно усовершенствовал методы астрономических измерений, применяя различного рода угломерные приборы, имеющие точность до 0,1 градуса. Он уточнил положение и движение небесных светил, составил большой звездный каталог, содержащий 1080 неподвижных звезд. Гиппарх уточнил продолжительность года и определил его с точностью до 6 минут. Гиппарху принадлежит также уточнение системы мира Аристотеля, которая господствовала в александрийский период. Уже раньше астрономы заметили, что предположение Аристотеля о круговых орбитах Луны, Солнца и планет с центром в центре Земли находится в противоречии с видимым их движением. Собственные измерения Гиппарха еще больше убедили его в этом. Он, например, точно определил, что Солнце меняет свое расстояние от Земли. Чтобы устранить противоречие, Гиппарх предположил, что, хотя Солнце, Луна и планеты движутся по круговым “совершенным” орбитам, тем не менее, центры их орбит не совпадают с центром Земли (теория эксцентриков). 30 В скором времени выяснилось, что и теория эксцентриков не объясняет видимых движений небесных светил. Однако астрономы не решились отказаться от основных положений системы Аристотеля. Была выдвинута теория об эпициклических движениях. Согласно этой теории небесные светила движутся по круговым орбитам – эпициклам, центры же этих орбит в свою очередь совершают круговые движения – деференты – вокруг Земли. Дальнейшее накопление фактического материала потребовало еще большего усложнения теории движения планет и Солнца. Были введены эпициклы , второго и т. д. порядков. Таким образом, искусственным путем были устранены в какой-то мере на некоторое время противоречия между наблюдаемыми движениями небесных тел и основными идеями Аристотеля о Земле как центре мира и о круговых орбитах небесных тел как совершенных траекториях. Теория эпициклов и эксцентриков была приведена в систему александрийским астрономом Птоломеем (70–147 н. э.) и изложена им в труде “Великое построение”. Астрономия теперь получила законченную форму, которая долгое время, вплоть до Коперника, не подвергалась каким-либо существенным изменениям. Необходимо отметить, что при всей искусственности системы Птоломея она была закономерным шагом в развитии науки, подобно теории флогистона в химии. Она, хотя и в неправильной и искаженной форме, все же давала возможность привести в единую систему накопленный материал и освободить его от донаучных, примитивных предположений. Однако в последующем система Птоломея, будучи канонизирована церковью, сыграла весьма реакционную роль в развитии науки, так же как система натурфилософии Аристотеля. Неудовлетворительность системы Птоломея чувствовалась гораздо раньше, чем Коперник ниспровергнул ее. Эта система была чрезвычайно сложной и громоздкой; с течением же времени эти громоздкость и сложность все увеличивались: число эпициклов росло, эксцентриситеты усложнялись. “И населили они небо концентрическими эксцентрическими кругами, взгромоздили эпициклы на эпициклы, орбиты на орбиты”, – говорил о древних астрономах знаменитый английский поэт Мильтон. С другой стороны, если признание, что планеты движутся по круговым орбитам вокруг Земли, имело какое-то основание и было понятно, то представление о том, что в свою очередь центры круговых орбит – математические точки – обращаются вокруг Земли, казалось совсем непонятным. В дальнейшем все это стало поводом для домыслов о сверхъестественных силах, действующих на центры – математические точки, о душах планет и т. д. В период же разложения рабовладельческого общества и все более и более развивающихся идеалистических 31 тенденций, признание неудовлетворительности системы Птоломея привело к зарождению агностицизма и теории чистого описания. Зародилась мысль, что система Птоломея не есть теория действительных движений небесных тел, не есть действительная теория строения Вселенной, а – представляет собой лишь более или менее удобный способ описания, поэтому может быть сохранена и поддержана. Затем эта же идея поддерживалась и развивалась. Так, например, в IV в. н.э. Прокл, древнегреческий философ-мистик, развивал теорию о том, что все круги, эксцентрики и эпициклы существуют только в мысли человека. Человек при этом подменяет действительность математическими образами и построениями, чтобы "спасти" явления. Еще более определенно говорил комментатор Аристотеля Симплиций (VI в. н. э.): он утверждал, что наблюдаемые движения планет являются лишь видимостью, отображающей непознанную человеком действительность. Позднее, в средние века, видный арабский философ и естествоиспытатель, знаток и последователь Аристотеля Ибн-Рошд (1126–1198), известный в Европе под именем Аверроэса, писал, что система “Птоломея ничтожна в отношении существующего, но она удобна, чтобы вычислять то, что не существует”. Так еще в древнее время зародилась и затем поддерживалась в средние века идея чистого описания, идея агностицизма, разрывающая действительность и ее отражение в сознании человека. Другой наукой, достигшей больших успехов в александрийский период, была математика. Знаменитый александрийский математик Евклид (III в. до н. э.) подвел итоги и обобщил в своих “Началах” все, что было сделано до него в области математики. Он создал настолько совершенную и законченную систему элементарной геометрии, что она почти в неизменном виде просуществовала многие столетия. Евклид придал геометрии исключительную логическую строгость и безукоризненность. Вся его система геометрии многие века считалась образцом научной системы; ей подражали самые крупные математики, физики, механики и даже философы последующих времен. Древние характеризуют Евклида как человека чрезвычайно абстрактной мысли, презрительно относящегося к практическим вопросам. Существует предание о том, что однажды к Евклиду подошел юноша, и попросил, чтобы он взял его в ученики, при этом юноша спросил Евклида, какую пользу он получит, изучив геометрию. Согласно преданию, Евклид повернулся к своему рабу и презрительно сказал: “Дай этому человеку 3 обола (древняя монета), он ищет от геометрии пользы”. Возможно, что это – только анекдот, тем не менее он правильно характеризует аристократизм ученых александрийского периода, и, возможно, 32 этот анекдот характеризует не столько Евклида, сколько господствующую идеологию того времени. "Начала" Евклида являются одним из математических оснований классической физики и фундаментом современной элементарной геометрии. В александрийский период получили свое развитие и элементы высшей математики. Здесь большая заслуга принадлежит Архимеду (287–212 до н. э.), решившему труднейшие математические проблемы своего времени, – вычисление площадей криволинейных фигур. Однако развивающиеся элементы высшей математики не были приведены еще в систему; это было сделано гораздо позже И. Ньютоном и Г. Лейбницем в XVII в. Учение Архимеда о равновесии тел представляет собой объединение и развитие знаний, накопленных древнегреческой наукой о равновесии тел к III в. до н.э., их систематизацию и оформление в самостоятельную научную область – статику. Центральное место в учении Архимеда занимают теория рычага, при построении которой использован аксиоматический метод, и теория равновесия тел в жидкости (гидростатика), включающая в себя доказательство ряда теорем, в том числе – закона Архимеда. Подход Архимеда к физическим проблемам основан на простых геометрических доказательствах, так что его можно считать родоначальником математической физики, которой он посвятил трактаты “О равновесии плоских тел” и “О плавающих телах”. С начала развития нашей эры в развитии науки начинается упадок. Этот упадок объясняется все убыстряющимся разложением рабовладельческого общества, которое сопровождалось большими потрясениями. Вместе с разложением рабовладельческого строя в Европе разлагаются и гибнут античная культура и наука. 3.4. Развитие науки арабских и среднеазиатских народов в средние века В противоположность Европе государства арабов и среднеазиатских народов в VIII–XII вв. переживали период культурного подъема. Народы этих государств как бы продолжили науку древних и обогатили ее новыми достижениями. На арабский язык были переведены сочинения древних философов и ученых: Аристотеля, Архимеда, Евклида, Птоломея и т.д. Ученые Средней Азии и арабских стран развили далее античную философию и особенно математику и философию. Им принадлежит также заслуга в развитии экспериментальных исследований. Крупнейшим философом на востоке был ибн-Сина, известный в Европе под именем Авиценна (980–1037). Ибн-Сина был по национальности таджик, жил сначала в Бухаре, а 33 позже переехал в Иран. Он написал ряд сочинений по философии, в которых развивал учение Аристотеля, усилив в нем материалистические стороны. Ибн-Сина был также крупным математиком, естествоиспытателем и врачом. Его сочинение “Медицинский канон” вплоть до XIV в. служило основным пособием при изучении медицины в Европе. Чрезвычайно оригинальные, смелые и передовые мысли для своего времени высказал великий ученый-энциклопедист средневекового Узбекистана Бируни (973–1048), который учил необходимости отделить науку от религии. Бируни признавал материю основой природы и учил, что в изучении природы надо исходить из опытов и фактов, освобождаясь от всего субъективного. Основные заслуги математиков средневекового Востока заключаются в разработке современной системы счета, заимствованной у индусов, и в развитии алгебры. Знаменитейшим математиком Востока был хорезмский ученый Мухаммед ибн-Муса аль Хорезми, живший в IX в. в Хорезме. Он познакомил арабов с десятичной системой индусов и явился одним из основателей алгебры. Начиная с Хорезми, алгебра становится самостоятельной областью математики; само слово ”алгебра” является искаженным названием начала сочинения Хорезми – Аль-джебр. Самым крупным астрономом Востока был Улугбек (1394–1449), внук хана Тимура. Улугбек построил в Самарканде обсерваторию. Ему принадлежит звездный каталог, составленный с необычайной для того времени точностью; этот каталог в течение долгого времени являлся образцом. В области физических наук арабские и восточные ученые уделяли внимание оптике и механике, совершенствуя технику измерения. Наиболее выдающимся оптиком был арабский ученый Ибн-Аль-Хайсам, известный под именем Альгазена (умер в 1053). Он исследовал отражение от плоских, сферических и цилиндрических зеркал, разработал способ измерения углов преломления, установил, что углы падения и преломления не пропорциональны, однако, как и Птолемей, не сумел установить законов преломления. Ибн-АльХайсам высказал также предположение, что свет не распространяется мгновенно. В области механики целый ряд арабских ученых интересовался вопросами, связанными с равновесием рычага и, говоря современным языком, пытаясь усовершенствовать доказательства Архимеда. Исследования равновесия рычага особенно часто связывалось у них с теорией весов, что имело определенное практическое значение. 34 Примерно с XIII в. наука арабских и среднеазиатских народов начинает терять свою ведущую роль и затем приходит в упадок, что связывают с монгольским нашествием и позднее – с завоеванием восточных арабских государств турками. 3.5. Период схоластики Как уже упоминалось, европейская наука в начале первого тысячелетия нашей эры переживала упадок, связанный с разложением рабовладельческого общества, сопровождавшимся большими потрясениями. Представления о природе в целом ряде вопросов вернулись к представлениям догреческой философии. Землю представляли плоской, покрытой хрустальным небесным сводом. Грубое суеверие и мракобесие процветали в Западной Европе и только примерно к XII в. наметились позитивные изменения. Христианское учение, соединенное с приспособленной к его догмам и выхолощенной философией Аристотеля, явилось в средние века господствующим философским направлением и получило название схоластики (от лат. schola – школа). Таким образом, схоластику можно определить как религиозно-идеалистическую философию. Этап в развитии науки (XIII–XV) был назван периодом схоластики. Для него было характерно упрощение натурфилософии Аристотеля, приспособление ее к христианскому учению в качестве официальной религиозной философии. Схоластика была оторвана от реальной действительности, занятие естествознанием рассматривалось как пустое дело. Все, что противоречило учениям церкви и Аристотелю, преследовалось инквизицией. Для этого времени были типичны такие псевдонауки, как астрология, алхимия, магия, кабалистика. Историю алхимии обычно начинают с IV в. н.э. В течение примерно тысячелетия алхимики пытались с помощью химических реакций, протекающих в сопровождении специфических заклинаний, получить философский камень, способствующий превращению любого вещества в золото, приготовить эликсир долголетия, создать универсальный растворитель. В качестве побочных продуктов их деятельности появились решения практически важных задач, были созданы технологии получения красок, стекол, лекарств, сплавов, разнообразных химических веществ и т.д. Алхимические исследования, несостоятельные теоретически, весьма способствовали развитию экспериментального естествознания. Алхимия возникла с приданием химической и металлургической практике мистического характера, с установлением связи практики с астрологией и магией. Была установлена связь между священным числом 7 и тем, что известных металлов – тоже 7 (а также, что цветов спектра – 7, музыкальных нот – тоже 7 и некоторые другие соответствия). 35 В период схоластики наука не продвигалась вперед в области познания природы, однако, в этот период были накоплены практические знания и эмпирический естественнонаучный материал, требовавшие научного обобщения. Замечательнейшим философом XIII в. был англичанин Роджер Бэкон (1214–1292), резко разошедшийся со схоластикой и провозгласивший в своих сочинениях важнейшие естественнонаучные принципы, легшие затем в основу естествознания, и выступивший с программой реформ науки, предлагая строить ее на методах математических доказательств и экспериментов. Другим мыслителем, порвавшим со схоластикой был Николай Кузанский (1401–1464), в учении которого высказаны идеи об устройстве Вселенной, предвосхитившие последующие революционные открытия в астрономии, в частности, идея о бесконечной Вселенной; утверждение о несостоятельности системы Птолемея и необходимости признания движения Земли, как небесного тела, ничем не отличающегося от других небесных тел. Идеи Николая Кузанского оказали в дальнейшем большое влияние на деятельность Николая Коперника (1473–1543), великого польского астронома, провозгласившего гелиоцентрическую систему, – модель строения Вселенной, согласно которой центром Вселенной является неподвижное Солнце, вокруг которого по строго круговым орбитам вращаются планеты, – Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, а за Сатурном на огромном расстоянии следует сфера неподвижных звезд. Говоря о науке средневековья нельзя не упомянуть величайшего ученого этого времени Леонардо да Винчи (1452–1519), развившего свой метод познания природы. Леонардо да Винчи считал, что познание идет от частных опытов и конкретных результатов к научному обобщению. Опыт является не только источником, но и критерием познания – выведенные из первоначальных опытов законы, должны быть проверены также опытным путем. В своей научной деятельности Леонардо да Винчи был приверженцем экспериментального метода исследования: изучал на опыте падение тел, траектории снарядов, коэффициенты трения, сопротивление материалов и т.д. Леонардо да Винчи в своей научной деятельности не был скован схоластикой и господством авторитетов, его творчество шло по пути развивающейся техники. Во многих вопросах науки он опередил свое время, заложил фундамент экспериментального естествознания, сам неутомимо экспериментировал, разрабатывал различные отрасли естественных наук, - физики, механики, оптики, акустики, биологии, химии, геологии. Леонардо да Винчи одним из первых, занимаясь практической анатомией, оставил зарисовки внутренних органов человека, снабженные описанием их функций. 36 Специалисты, изучая анатомические рисунки и записи Леонардо да Винчи, называли его величайшим анатомом своего времени. Леонардо да Винчи работал над изучением законов развития животных и растений. Он был первым, кто всерьез занялся проблемами анатомии и физиологии растений. В итоге многолетних наблюдений он раскрыл причины появления жилок на листьях, обобщил явление гелиотропизма (изменения направления роста органов растения в зависимости от источника света). Он работал над выяснением влияния солнца, воздуха, воды и почвенных солей на жизнь растений. Леонардо да Винчи считают первым исследователем, поставившим важную проблему биологии, – установление связи между живыми существами и окружающей их природной средой. Леонардо да Винчи выдвинул ряд ценных положений о строении Земли, соотношения между сушей и водой, о движении воды, впоследствии блестяще подтвержденные наукой. 3.6. Научная революция XVI–XVII вв. Революция в науке, как и в любой другой сфере, – это коренная ломка, глубокое преобразование ее теоретического содержания и методов познания. В ХVI–ХVII вв. натурфилософское и во многом схоластическое познание природы превратилось в современное естествознание, в систематическое научное познание на базе экспериментов и математического изложения. В этот период в Европе начинается новый этап в развитии науки: зарождается и развивается экспериментальное исследование природы, формируется новое мировоззрение. 3.6.1. Революция в астрономии В 1543 г. вышло в свет сочинение великого польского астронома Н. Коперника “Об обращении небесных кругов”, содержащее изложение гелиоцентрической модели (с Солнцем как центром Вселенной) обоснованное данными наблюдений и математических доказательств. В этой книге устанавливалась не просто новая астрономическая теория, но ниспровергалось, по существу, все старое мировоззрение. Наука порывала со схоластикой, восставала против самих основ, на которых строилось религиозное представление о Вселенной. В то время это означало настоящую мировоззренческую революцию. Итальянский философ Дж. Бруно (1548–1600), развивая идеи Н. Коперника, доказывал, что у Вселенной нет центра, она беспредельна и состоит из бесконечного множества звездных систем. Теорию Н. Коперника и идеи Дж. Бруно подтвердили открытия Г. Галилея, сделанные с помощью изобретенного им телескопа. Галилей обнаружил кратеры и хребты на Луне, раз- 37 глядел бесчисленные скопления звезд, образующих Млечный путь, увидел спутники Юпитера, пятна на Солнце. Теоретическое обоснование гелиоцентрической системы Коперника было проведено Галилео Галилеем (1564–1642), великим итальянским ученым, с помощью данных из области астрономии и механики и изложено знаменитом труде Галилея "Диалог о двух главнейших системах мира – птолемеевой и коперниковой" (1632). Обоснование Галилеем гелиоцентрической системы Коперника включает в себя доказательство несостоятельности возражений против движения Земли, основанное на исследованиях по динамике: опыты с падающими телами, движение тел по горизонтальной и наклонной плоскостям. В результате этих исследований Галилей сформулировал принцип инерции и принцип относительности. Другим подтверждением гелиоцентрической системы Коперника явились законы движения планет Солнечной системы, открытые немецким астрономом И. Кеплером (1571– 1630) в результате обобщения данных астрономических наблюдений. Так, согласно первому закону Кеплера, все планеты движутся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам, в фокусе которых находится Солнце. Изложению законов движения планет была посвящена книга Кеплера "Новая астрономия" (1609). Эти открытия убедительно подтвердили теорию Коперника. Его идеи стали быстро распространяться. Римская церковь уже не могла пренебрежительно относиться к учению Коперника как к гипотезе, которую невозможно доказать, и запретила пропаганду его взглядов, внеся в 1616 г. его книгу в “Список запретных книг”. В 1633 г. состоялся суд римской инквизиции и над Галилеем. Формально он отрекся от своих якобы “заблуждений”, но фактически новые научные представления одержали победу. Галилей и Кеплер придали понятию закона природы строго научное содержание. 3.6.2. Экспериментальный метод Галилея Если натурфилософы со времен Аристотеля считали, что ни одно тело не переходит из состояния покоя в движение без действия силы, а всякое движение может прекратиться само собой, то Галилей, в открытом им законе инерции, установил равноправие покоя и равномерного прямолинейного движения, показав, что ни одно тело не может изменить своей скорости (ни ее величину, ни направление) без действия силы. Закон инерции не опирается на повседневный опыт, он сформулирован на основе мысленного эксперимента с идеализированными объектами. Этот закон открыт чисто теоретическим путем. Натурфилософы 38 Древней Греции стали первыми теоретиками в понимании естественного единства мира в целом; Галилей первым возвел механику на уровень теоретической науки. Одной из самых важных заслуг Галилея в истории науки является установление и разработка им нового экспериментального метода познания природы, предполагающий активную деятельность естествоиспытателя, направленную на постановку специальных экспериментов. Экспериментальный метод Галилея предполагает этапы: установление гипотез на основе данных наблюдений и опытов, вывод следствий из гипотез, экспериментальная проверка следствий, подтверждающих гипотезу и превращающих ее в научный закон (рис. 2.2). 1 эта п УСТАНОВЛЕНИЕ ГИПОТЕЗ 2 эта п ВЫВОД СЛЕДСТВИЙ ИЗ ГИПОТЕЗ 3 эта п ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА СЛЕДСТВИЙ Рис.2.2. Экспериментальный метод Галилея. Первым достижением экспериментального метода Галилея было открытие закона свободного падения тел. В XVII в. экспериментальный метод Галилея становится основным научным методом познания природы, что означало начало становление физики как самостоятельной науки и – естествознания как системы естественных наук. От здравого смысла через эксперимент к идеализациям, а от них к теории, проверяемой на практике, таков путь физики к научному познанию движения тел. 3.6.3. Становление физики как самостоятельной науки Научная революция XVI–XVII вв. обусловила становление физики как самостоятельной науки – следующую после астрономии и статики ступень процесса выделения естественных наук из философии. Становление физики как самостоятельной науки сопровождалось развитием экспериментального метода познания природы, заложенного Галилеем, и выдающимися достижениями в области механики, оптики, физики жидкостей и газов. 39 В период становления физики как самостоятельной науки была создана теория маятника (Галилей, Гюйгенс), разработана теория вращательного движения (Гюйгенс). Теоретическая разработка проблемы маятника имела прямую связь с решением практической задачи измерения времени: свойство маятника сохранять постоянный период колебаний, открытое Галилеем, сразу натолкнуло на мысль применить маятник для измерения времени. Галилеем был составлен чертеж проекта маятниковых часов, однако, из-за смерти Галилея проект не был осуществлен. Разработка и осуществление практически пригодных часов принадлежит голландскому ученому Х. Гюйгенсу (1629–1695). В 1657 г. Гюйгенс запатентовал изобретенные им часы с маятником. Одновременно он разработал теорию маятника. Гюйгенс разработал также теорию вращательного движения для материальной точки, равномерно движущейся по окружности. В период становления физики как самостоятельной науки был установлен закон преломления света. Впервые этот закон был экспериментально установлен голландским ученым Снеллиусом (1580–1626) на границе воздух – вода, однако, Снеллиус не дал его современной формулировки. Позднее этот закон в уже современной формулировке был опубликован Декартом в сочинении "Диоптрика" (1637). Декарт вывел этот закон теоретически, исходя из постулатов о различной скорости света в средах с различной плотностью. Открытие закона преломления света давало возможность приступить к количественному расчету оптических систем. В дальнейшем была получена формула линзы и развиты основы теории оптических систем. В этот же период были открыты явления интерференции и дифракции света. Эти явления были впервые описаны итальянским ученым Ф. Гримальди (1618–1663) в его труде "Физико-математические рассуждения о свете, цветах и радуге" (1665). Гримальди наблюдал, что если на пути пучка света, проходящего через отверстие в ставне, поставить стержень, то на экране тень получается размытой. Этому явлению Гримальди дал название дифракции (раздробление). Другой опыт, описанный Гримальди, заключался в следующем. Свет пропускался через два узких отверстия в ставне, расположенных близко друг к другу, так что на экране два конуса лучей накладывались друг на друга. Рассматривая картину на экране, Гримальди пришел к выводу, что "прибавление света к свету" (интерференция) может привести к уменьшению его интенсивности. В период становления физики как самостоятельной науки было создано учение об атмосферном давлении (Торричелли, Паскаль). В 1603 г. Э. Торричелли (1608–1647) провел первый опыт с трубкой, наполненной ртутью и пришел к заключению о возможности существования пустоты, а также измерил величину атмосферного давления. Позже Декарт 40 высказал мысль, что атмосферное давление должно уменьшаться с высотой и что это можно проверить, подняв барометр в гору. Такой опыт проделал Б. Паскаль (1623–1663) и установил, что, действительно, высота ртутного столба с подъемом уменьшается. Опыты Торричелли-Паскаля привели к изобретению нового прибора – барометра, который начал применяться в метеорологических исследованиях. 3.6.4. Революция в математике В конце ХVII в. произошла революция в математике. Английский ученый И. Ньютон (1643–1727) и независимо от него немецкий математик и философ Г. Лейбниц (1646–1716) разработали принципы интегрального и дифференциального исчисления. Эти исследования стали основой математического анализа и математической базой всего современного естествознания. Еще раньше, в середине ХVII в. трудами Р. Декарта (1596–1650) и П. Ферма (1601–1665) были заложены основы аналитической геометрии, что позволило переводить геометрические задачи на язык алгебры с помощью метода координат. Дифференциальное исчисление дало возможность математически описывать не только устойчивые состояния тел, но и текущие процессы, не только покой, но и движение. В этот период господствующим стал аналитический метод познания процессов, в основе которого – расчленение целого для отыскания неизменных основ этих процессов. 3.7. Развитие научных методов в естествознании Руководящим мировоззрением для естествознания XVII–XVIII вв. явился механистический материализм, согласно которому все качественное многообразие мира должно быть сведено к механическому движению однородных частиц материи, а все сложные и многообразные закономерности развития природы должны быть объяснены простейшими законами механики. Основы механистического материализма были заложены в трудах Г. Галилея (1564– 1642), развившего экспериментальный метод познания природы, Фрэнсиса Бэкона (1561– 1626), разработавшего метод индукции, и Р. Декарта (1596–1650), развившего наиболее последовательную форму механистического мировоззрения. Научный метод Фрэнсиса Бэкона основывается на утверждении, что наука должна опираться на данные опыта, выводы из которых строятся методом индукции, обеспечивающим возможность перехода от единичных фактов к общим положениям (рис.2.3.). 41 ОПЫТ инду кция УМОЗАКЛЮЧЕНИЕ Рис.2.3. Схема научного метода Фрэнсиса Бэкона. Метод Фрэнсиса Бэкона содержит правила вывода индуктивных умозаключений, заключающиеся в установлении причинной связи между определенными обстоятельствами и появлением какого-либо явления. Фрэнсис Бэкон считал, что наука должна приносить практическую пользу. Задача науки – построение в человеческом разуме образца природы, соответствующего реальной действительности. Эту задачу должно выполнять естествознание, которое, по Бэкону, и есть подлинная наука. Важнейшей же областью естествознания является физика. Научный метод Фрэнсиса Бэкона соответствовал задачам естествознания XVI–XVII вв., которое характеризовалось дифференцированным подходом к изучению природы, исследованием вещей и явлений вне их связи и взаимодействия. Научный метод Фрэнсиса Бэкона стал руководящим методом развивающегося естествознания. Изложению научного метода Фрэнсиса Бэкона посвящен его трактат "Новый органон" (1620 г.). Насколько большое значение сами естествоиспытатели придавали индуктивному методу, можно судить уже потому, что сами естественные науки в стали называть в это время индуктивными науками. Только позже, когда естествознание превратилось из науки о вещах, в науку о процессах, ограниченность всеиндуктивизма начала остро чувствоваться. Другой философской системой XVII в., имевшей особе значение для естествознания, была система французского философа и ученого Р. Декарта. Учение Декарта представляет собой единую естественнонаучную и философскую систему, основанную на постулатах о существовании непрерывной материи, заполняющей все пространство, и ее механическом движении. Декартом применительно к естествознанию развит метод дедукции: все явления природы дедуктивно выводятся из исходных постулатов (рис.2.4.). П О С Т У Л А Т Ы Существование непрерывной материи, заполняющей все пространство ЕДИНАЯ деду кция СИСТЕМА ПРИРОДЫ Материи присуще механическое движение Рис.2.4. Схема научного метода Р. Декарта. 42 Декарт поставил перед наукой задачу: исходя из установленных им основных принципов, из его представления о материи, о законах ее движения, пользуясь лишь “вечными истинами“ математики, построить, объяснение всем известным и неизвестным явлениям природы. Он сам взялся за ее выполнение, построил грандиозную картину Вселенной, охватив в ней все, начиная от движения небесных светил и кончая физиологией животных и даже человека. Учение Декарта являлось единой наукой, подобной науке древности. Декарт включал в свое учение и собственно философию, и астрономию, и физику, и химию, и даже физиологию. Но в отличие от философов древности Декарт строил свою единую систему природы в основном только на механике – науке, которая к его времени достигла наибольших успехов. В учении Декарта широко используется математика, призванная описать механические движения на основе понятий переменных величин и координат. Декарт в своем учении не просто давал абстрактное определение материи, а определял ее конкретно, как некоторую физическую модель. Материя Декарта – это нечто вроде идеальной несжимаемой жидкости, заполняющей все пространство. Опираясь на свои формулировки законов движения, которые он считал единственными законами, Декарт пытался вывести все остальные частные законы. Представление о природе как о сложном механизме, которое развил Декарт, вылилось потом в физическое направление, получившее название картезианства. Учение Декарта изложено в трудах "Рассуждение о методе" (1637) и "Начала философии" (1643). Приведем методологические советы великого ученого: допускать, в качестве исходных, ясные и отчетливые мысли, истинность которых несомненна; расчленять сложные проблемы на частные, двигаться от простого к сложному; методично переходить от простого к сложному, от недоказанного к доказанному; не допускать пропусков в логических звеньях исследования. 3.8. Развитие естествознания в ХVIII в. С середины ХVIII в. естествознание стало все больше проникаться идеями эволюционного развития явлений природы. Значительную роль в этом сыграли труды М.В. Ломоносова, И. Канта, П.С. Лапласа, в которых развивалась гипотеза естественного происхождения Солнечной системы. Среди основных наиболее значимых достижений естествознания XVIII в. следует отметить развитие атомно-молекулярных представлений о строении вещества и развитие экспериментальной науки об электричестве. Одним из пер43 вых ученых, последовательно занимавшихся разработкой атомно-молекулярного учения в XVIII в., был великий русский ученый М.В. Ломоносов (1711–1765), изложивший в работе "Элементы математической химии" (1741) свои представления об "элементах" и "корпускулах" (атомах и молекулах) и сформулировавший важнейшие положения созданной им корпускулярной теории строения вещества. В 1748 г. Ломоносовым был сформулирован фундаментальный естественнонаучный закон – закон сохранения массы вещества, выражающий идею о несотворимости и неучтожимости материи. Ломоносов занимался разработкой механической теории теплоты, объясняя ее вращательным движением корпускул (молекул), кинетической теории газа. Ломоносов доказал наличие атмосферы у Венеры. Изучая земные слои, он обосновывал оригинальные эволюционные идеи об образовании гор, руд, каменного угля, торфа, нефти, почв, янтаря. Ученый предполагал существование жизни на других планетах. Большое внимание Ломоносов уделял методологии познания, подчеркивая единство теории и опыта, необходимость их взаимосвязи. Экспериментальная наука об электричестве начала развиваться в XVIII в. связи с общественными запросами, стимулировавшими систематические исследования электрических явлений, представленные рядом основополагающих работ в области атмосферного и гальванического электричества, работ по созданию первых источников постоянного тока и установлению связи между электрическими и магнитными явлениями. Исследования по атмосферному электричеству проводились американским ученым Б. Франклином (1706– 1790), высказавшим предположение об электрической природе молнии (1751), и русскими учеными Г.В. Рихманом (1711–1753) и М.В. Ломоносовым, изучавшими атмосферное электричество с помощью “громовой машины”, что позволило установить наличие электричества в атмосфере даже при отсутствии грозы (1753). Изучение гальванического электричества связано с открытием итальянским врачом и естествоиспытателем Л. Гальвани (1737–1798) электрических явлений в тканях лягушки, установившим, что, когда препарированная лягушка соприкасается с двумя различными металлами (например, с железом и медью), происходит сокращение ее мышц. В трактате “О силах электричества при мышечном движении”, изданном в 1791 г., Гальвани писал: “Ожидая напрасно сокращения мышцы в ясный погожий день, изнуренный тщетным ожиданием я начал медными крючками, воткнутыми в спинной мозг лягушки, касаться железного стержня ” Оказалось, что лапки лягушки вздрогнули. Результаты этих опытов были сенсационными и вызвали лавину опытов по исследованию тканей раз44 личных животных, связанных с надеждой на воскрешение умерших. Гальвани был убежден, что открыл "животное электричество". Правильное истолкование открытия Гальвани дал Вольта (1745–1827), доказавший, что электрический ток, возбуждающий мышцу лягушки, возникает вследствие разности потенциалов, между двумя разнородными металлами, погруженными в электролит, которым в данном случае является содержимое ткани лягушки. Современная наука констатирует, что жизненные процессы сопровождаются электрическими явлениями, а источником их являются клетки. Таким образом, предчувствие Гальвани существования "животного электричества" было верным. Открытие Гальвани привело Вольта к созданию гальванического элемента – первого источника постоянного тока. Вольта был одним из первых ученых, открывших и исследовавших электрический ток. Под влиянием открытия Гальвани он установил, что условием протекания электрического тока является наличие двух проводников первого рода (металлов) и одного – второго рода (электролита), включенных в цепь. Базируясь на этом, Вольта сконструировал в 1800 г. так называемый “вольтов столб” – первый источник длительного постоянного тока. "Вольтов столб” – первоначальная форма батареи гальванических элементов – представлял собой набор металлических кружков из цинка и серебра, разделенных бумагой, пропитанной соленой водой. Батарея Вольта дала возможность экспериментирования с сильным электрическим током, что имело большое значение для развития дальнейших исследований в этой области. С помощью вольтова столба из 4200 медных и цинковых кружков русский физик В.В. Петров(1761–1834) в 1802 г. впервые получил электрическую дугу, названную вольтовой дугой и представляющую собой продолжительный электрический разряд, в котором развивается высокая температура и излучается яркий свет. На этом мы приостановим изложение истории естествознания: последующие XIX–XX вв. были ознаменованы созданием фундаментальных теорий, к рассмотрению которых мы и перейдем в следующих главах, излагающих основные концептуальные направления современного естествознания. 4. ФИЗИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ 4.1. Механистическая картина мира Становление механистической картины мира справедливо связывают с именем Галилео Галилея, который установил законы свободно падающих тел, сформулировал принцип 45 инерции и механический принцип относительности, а также – с именем Ньютона , создавшим систему классической механики. 4.1.1. Принцип относительности Галилея Впервые принцип относительности был сформулирован Галилеем для механического движения. Для его понимания нам надо ввести понятие системы отсчета, или системы координат. Как известно, положение движущегося тела в каждый момент времени определяется по отношению к некоторому другому телу, которое называется системой отсчета. С этим телом связана соответствующая система координат, например, привычная нам, декартова система. На плоскости движение тела или материальной точки определяется двумя координатами: абсциссой x и ординатой y. В пространстве к этим координатам добавляется третья координата z. Среди отсчета особо выделяются инерциальные системы, которые находятся друг относительно друга в покое, либо в равномерном и прямолинейном движении. Особая роль инерциальных систем отсчета заключается в том, что для них выполняется принцип относительности. В формулировке Галилея принцип относительности означает, что во всех инерциальных системах отсчета законы классической механики имеют одинаковую форму, т.е. при переходе от одной инерциальной системы к другой уравнения механики не меняются. На языке математики это свойство называется инвариантностью уравнений по отношению к преобразованию координат. Галилей обратил внимание на то, что никакими механическими опытами, проведенными в данной инерциальной системе отсчета невозможно установить, покоится она или движется равномерно или прямолинейно. Инерционное движение можно заметить и определить, лишь не участвуя в этом движении, так как оно не воздействует на вещи, сами находящиеся в таком же движении. Поясняя это положение, Галилей приводит пример: “Уединитесь в просторное помещение под палубой какого-нибудь корабля, запаситесь мухами, бабочками и другими подобными мелкими летающими насекомыми Пусть будет у вас там также большой сосуд с водой и плавающими в нем маленькими рыбками; подвесьте, далее, наверху ведерко, из которого вода будет капать капля за каплей в другой сосуд с узким горлышком, поставленный внизу. Пока корабль стоит неподвижно, наблюдайте, как мелкие летающие животные движутся во все стороны помещения, рыбы будут плавать безразлично во всех направлениях, все падающие капли попадут в подставленный сосуд За46 ставьте корабль двигаться с любой скоростью и тогда (если только движение будет равномерным и без качки) во всех названных явлениях вы не обнаружите ни малейшего изменения и ни по одному из них не сможете установить, движется ли корабль или стоит неподвижно” Опытным путем установлено, что инерциальной можно считать гелиоцентрическую систему отсчета, начало координат которой, находится в центре Солнца, а оси проведены в направлении определенных звезд. Система отсчета, связанная с Землей, строго говоря, неинерциальная, однако, эффекты, обусловленные ее неинерциальностью, связанной с вращением вокруг собственной оси и вокруг Солнца, при решении многих задач пренебрежимо малы, и в этих случаях ее можно считать инерциальной. 4.1.2. Механика Ньютона Формирование классической механики и основанной на ней механистической картины мира происходило по двум направлениям: обобщение полученных ранее результатов и прежде всего законов свободно падающих тел, открытых Галилеем, а также законов движения планет, сформулированных Кеплером; создание методов для количественного анализа механического движения в целом. Великий английский ученый Исаак Ньютон (1643–1727) создал свой вариант дифференциального и интегрального исчисления непосредственно для решения основных проблем механики: определения мгновенной скорости как производной от пути по времени движения, и – ускорения как производной от скорости по времени. Благодаря этому ему удалось сформулировать основные законы динамики и закон всемирного тяготения. Теперь количественный подход к описанию движения кажется чем-то само собой разумеющимся, но в XVII в. это было крупнейшим завоеванием научной мысли. Механика Ньютона – законченная система классической механики, основанная на понятиях количества материи (массы тела), количества движения, силы и трех законах движения: закона инерции, закона пропорциональности силы и ускорения и закона равенства действия и противодействия – изложена в знаменитом труде Ньютона "Математические начала натуральной философии" (1687). В своей механике Ньютон отказался от построения всеобъемлющей картины Вселенной и создал свой метод физического исследования, опирающийся на опыт, ограничивающийся фактами и не претендующий на познание конечных причин. Основной задачей механики Ньютона является нахождение движения по си47 лам, или, наоборот, нахождение действующих сил по движениям без анализа природы взаимодействия. Классическая механика Ньютона сыграла и играет до сих пор огромную роль в развитии естествознания. Она объясняет множество физических явлений и процессов в земных и в неземных условиях, составляет основу для многих технических достижений. На ее фундаменте базируются многие методы научных исследований в различных отраслях естествознания. В основе классической механики лежит концепция Ньютона, определившая лицо естествознания вплоть до ХХ в. Согласно ньютоновской концепции, физическая реальность характеризуется понятиями пространства, времени, материальной точки и силы (взаимодействия материальных точек). В ньютоновской концепции под физическими событиями следует понимать движение материальных точек в пространстве, управляемое неизменными законами. Материальную точку мыслят как аналогию подвижных тел, лишенных таких признаков, как протяженность, форма, ориентация в пространстве, и всех "внутренних" свойств, за исключением только инерции и перемещения. Материальные тела, которые психологически привели к образованию понятия "материальной точки", сами рассматриваются как системы материальных точек. В 1667 г. Ньютон сформулировал три закона динамики, составляющие основной раздел классической механики и являющиеся, как и большинство физических законов, обобщением результатов огромного человеческого опыта. Законы Ньютона рассматривают обычно как систему взаимосвязанных законов. Первый закон Ньютона: всякая материальная точка (тело) сохраняет состо яние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока во здействие со стороны других тел не з аставит ее изменить это состояние. Стремление тела сохранить состояние покоя или равномерного прямолинейного движения называется инертностью, или инерцией. Поэтому первый закон Ньютона называют также законом инерции. Для количественной формулировки второго закона динамики вводятся понятия ускорения а, массы тела m и силы F. Ускорением характеризуется быстрота изменения скорости движения тела. Масса тела – физическая величина, одна из основных характеристик материи, определяющая ее инерционные свойства (инертная масса) и гравитационные свойства (тяжелая или гравитационная масса). Сила F – это векторная величина, мера механическо- 48 го воздействии на тело со стороны других тел или полей, в результате которого тело приобретает ускорение, или изменяет свою форму и размеры. Второй закон Ньютона: ускорение, приобретаемое материальной точкой (телом), пропорционально вызывающей его силе и обратно пропорционально ма ссе материальной точки (тела) а= F/m. Второй закон Ньютона справедлив только в инерциальных системах отсчета. Первый закон Ньютона можно получить из второго. Действительно, в случае равенства нулю равнодействующих сил (при отсутствии воздействия на тело со стороны других тел) ускорение также равно нулю. Однако первый закон Ньютона рассматривается как самостоятельный закон, а не как следствие второго закона, так как именно он утверждает существование инерциальных систем отсчета. Взаимодействие между материальными точками (телами) определяется третьим законом динамики– законом равенства действия и противодействия. Третий закон Ньютона: всякое действие материальных точек (тел) друг на друга носит характер взаимодействия; силы, с которыми действуют друг на друга материальные точки, всегда равны по модулю, противоположно направлены и действуют вдоль прямой, соединяющей эти точки: F12= –F21 , где F12 – сила, действующая на первую материальную точку со стороны второй; F21 – сила, действующая на вторую материальную точку со стороны первой. Эти силы приложены к разным материальным точкам (телам), всегда действуют парами и являются силами одной природы. Третий закон Ньютона позволяет осуществить переход от динамики отдельной материальной точки к динамике системы материальных точек, характеризующихся парным взаимодействием. Одним из достижений механики Ньютона является закон всемирного тяготения, открытый в 1665–1666 гг. и выражающий общее свойство всех тел притягивать друг друга с силой, пропорциональной произведению масс тел m 1 , m 2 и обратно пропорциональной квадрату расстояния R между ними: F 1 2 = m 1 m 2 /R 2 , где – гравитационная постоянная. Законы Ньютона позволяют решить многие задачи механики – от простых до сложных. Спектр таких задач значительно расширился после разработки Ньютоном и Лейбницем но49 вого для того времени математического аппарата – дифференциального и интегрального исчисления, весьма эффективного при решении многих динамических задач и особенно задач небесной механики. 4.1.3. Характерные особенности механистической картины мира В механике Ньютона для описания движения тела достаточно задать координаты тела и его скорость в начальный момент времени и уравнение его движения. Все последующие состояния тела точно и однозначно должны определяться его первоначальным состоянием. Более того, уравнения движения обратимы во времени и, следовательно, определяют состояния системы также и в прошлом. Таким образом, для классической механики и механистической картины мира характерна симметрия процессов во времени, которая выражается в обратимости времени. Сформулируем основные особенности механистической картины мира. Все состояния механического движения тел по отношению ко времени оказываются в принципе одинаковыми, поскольку время считается о братимым. Все механические процессы подчиняются принципу строгого или жес ткого детерминизма, суть которого состоит в признании возможности точного и однозначного определения состояния механической системы ее предыдущим состоянием. Согласно этому принципу, случайность целиком исключается из природы. Все в мире строго определено предшествующими состояниями, событиями, явлениями. Сам окружающий нас мир превращается в грандиозную машину, все последующие состояния которой точно и однозначно определены. Такая точка зрения была развита в трудах выдающегося французского ученого П.С. Лапласа (1749–1827) и получила название лапласовского детерминизма. Пространство и время никак не связаны с движениями тел, они имеют абсолютный характер. В связи с этим положением Ньютон ввел понятие абсолютного, или математического, пространства и времени. В ньютоновской механике пространство уподобляется простому вместилищу движущихся в нем тел, которые не оказывают на него никакого влияния. Закономерности более высоких форм движения материи должны св одится к законам простейшей ее фо рмы – механическому движению. 50 Эта тенденция встретила критику со стороны биологов, медиков и некоторых химиков уже в XVIII в. Против нее выступили также выдающиеся философы-материалисты Д. Дидро (1713–1784) и П. Гольбах (1723–1789), не говоря уже о виталистах, которые приписывали живым организмам особую ”жизненную силу”. Все перечисленные и некоторые другие особенности предопределили ограниченность механистической картины мира, которые преодолевались в ходе последующего развития естествознания. 4.2. Развитие концепций термодинамики и статистической физики Механика Ньютона во многом определяла мышление и мировоззрение ученыхестествоиспытателей. Так, вплоть до начала ХХ в. в науке господствовало механистическое мировоззрение, физическая сущность которого заключалась в попытке объяснить все явления природы механическим движением частиц и тел. Примером большого успеха механистического представления физических процессов можно считать разработку молекулярнокинетической теории вещества, позволившей понять тепловые процессы. 4.2.1. Вещественная и корпускулярная теории теплоты Вокруг нас происходят явления, внешне весьма косвенно связанные с механическим движением. Это явления, наблюдаемые при изменении температуры тел, рассматриваемых как макросистемы, или – явления, возникающие при переходе тел из одного состояния (например, жидкого) в другое (твердое либо газообразное). Такие явления называются тепловыми. История развития представлений о природе тепловых явлений – пример того, каким сложным и противоречивым путем происходит постижение научной истины. Многие философы древности рассматривали огонь и связанную с ним теплоту как одну из стихий, которая наряду с землей, водой и воздухом образует все тела. Одновременно предпринимались попытки связать теплоту с движением, так как было замечено, что при соударении тел или трении их друг о друга они нагреваются. Первые успехи на пути построения научной теории теплоты относятся к началу ХVII в., когда был изобретен термометр и появилась возможность количественного исследования тепловых процессов и свойств макросистем. Вновь был поставлен вопрос о том, что же такое теплота. В решении этого вопроса наметились две противоположные точки зрения. Согласно одной из них, так называемой вещественной теории тепла, теплота рассматривалась как особого рода “невесомая жидкость”, способная перетекать из одного тела в другое. Эта гипотетическая жидкость была 51 названа теплородом. Считали, что чем больше теплорода в теле, тем выше температура тела. Согласно другой точке зрения, теплота – это вид внутреннего движения частиц: чем быстрее движутся частицы тела, тем выше его температура. В рамках таких представлений теорию тепла называли корпускулярной, от слова “корпускула” (частица). Подобных взглядов на теплоту придерживались И. Ньютон, Р. Гук, Р. Бойль, Д. Бернулли. Большой вклад в развитие корпускулярной теории тепла внес великий русский ученый М.В. Ломоносов. Он рассматривал теплоту как вращательное движение частиц вещества. С помощью своей теории он рассмотрел процессы плавления, испарения, теплопроводности, а также пришел к выводу о существовании “наибольшей или последней степени холода”, когда движение частиц вещества прекращается. Благодаря работам Ломоносова, среди русских ученых было очень мало сторонников вещественной теории теплоты. Но все же, несмотря на многие преимущества корпускулярной теории теплоты, к середине XVIII в. временную победу одержала теория теплорода. Это произошло после того как экспериментально было доказано сохранение теплоты при теплообмене. Отсюда был сделан вывод о сохранении (неуничтожении) тепловой жидкости – теплорода. В вещественной теории было введено понятие теплоемкости тел и построена количественная теория теплопроводности. Многие термины, введенные в то время, сохранились и сейчас. С помощью корпускулярной теории теплоты не удалось получить столь важные для физики количественные связи между величинами. В частности, не удалось объяснить, почему теплота сохраняется при теплообмене. В те времена не была ясна связь между механической характеристикой движения частиц – их кинетической энергией и температурой тела, поскольку понятие энергии еще не было введено в физику. В этом кроется, по-видимому, основная причина, почему корпускулярная теория не достигла в XVIII в. таких успехов в объяснении тепловых явлений, какие дала простая и наглядная теория теплорода. Однако, к концу ХVIII в. вещественная теория теплоты начала сталкиваться cо все большими трудностями и к середине XIX в. потерпела полное и окончательное поражение. Большим числом разнообразных опытов было показано, что "тепловой жидкости" не существует. Так, при трении можно получить любое количество теплоты в зависимости в времени, в течение которого производится трение. В середине XIX в. была доказана связь между механической работой и количеством теплоты. Подобно работе количество теплоты оказалось мерой изменения энергии. Нагревание тела стали связывать не с увеличением в нем количества особой невесомой "жидко52 сти", а с увеличением его энергии. Таким образом, принцип теплорода был заменен законом сохранения энергии, количественная формулировка которого была дана в 1841–1842 гг. немецкими учеными Р. Майером (1814–1878) и Г. Гельмгольцем (1821–1894). Было установлено, что теплота представляет собой форму энергии. Значительный вклад в развитие теорий тепловых явлений и свойств макросистем внесли ученые В. Томсон (1824–1907), Р. Клаузиус (1822–1888), Дж. Максвелл (1831–1879), Л. Больцман (1844–1906) и другие ученые. 4.2.2. Необратимость времени в термодинамике Термодинамика представляет собой науку о тепловых явлениях, в которой не учитывается молекулярное строение тел. В термодинамике тепловые явления описываются с помощью величин, регистрируемых приборами, не реагирующими на воздействие отдельных молекул (термометр, манометр и др.). Все законы термодинамики относятся к телам, число молекул которых огромно. Такие тела называют макроскопическими. Они образуют макросистемы. Рассматривая законы движения в классической механике, мы не обращаем внимания на характер времени, посредством которого описываются процессы движения. Время в них выступает в качестве особого параметра, знак которого можно менять на обратный. Действительно, если заданы начальное состояние системы, т.е. начальные ее координаты и импульсы, и известны уравнения движения, то в механике можно вполне однозначно определить любое ее состояние, как в будущем, так и прошлом. Следовательно, в классической механике никак не учитывается направление времени. До возникновения термодинамики понятие времени по существу отсутствовало в классической физике в том виде, в каком оно рассматривается в реальной жизни и в науках, изучающих процессы, протекающие во времени и имеющих свою историю. Хотя в качестве переменной время входит во все уравнения классической механики, тем не менее, оно не отражает внутренние изменения, которые происходят в системе. Именно поэтому в уравнениях физики его знак можно менять на обратный, т.е. относить его как будущему, так и к прошлому. Положение существенно изменилось после того, как физика вплотную занялась изучением тепловых процессов, законы которых были сформулированы в классической термодинамике. Если прежняя динамика описывала законы движения тел под воздействием внешних сил, сознательно отвлекаясь от внутренних изменений, происходящих в механических системах, то термодинамика вынуждена была исследовать физические процессы при различных преобразованиях тепловой энергии. Однако она не анализирует 53 внутреннее строение термодинамических систем, как это делает статистическая физика, рассматривающая теплоту как беспорядочное движение огромного числа молекул. Термодинамика возникла из обобщения многочисленных фактов, описывающих явления передачи, распространения и превращения тепла. Самым очевидным является тот факт, что распространение тепла представляет собой необратимый процесс. Хорошо известно, например, что тепло, возникшее в результате трения или выполнения другой механической работы, нельзя снова превратить в энергию и потом использовать для производства работы. Не менее известно, что тепло передается от горячего тела к холодному, а не наоборот. С другой стороны, путем точных экспериментов было доказано, что тепловая энергия превращается в механическую энергию в строго определенных количествах. Существование такого механического эквивалента для теплоты свидетельствует о ее сохранении. Все эти многочисленные факты нашли свое обобщение и теоретическое объяснение в законах классической термодинамики – ее первом и втором началах. 4.2.3. Первое и второе начала термодинамики Область применения термодинамики достаточно широкая, т.к. практически нет таких областей физики, химии, биологии, в которых не используются термодинамические методы. Однако, термодинамический метод несколько ограничен, т.к. термодинамика не дает информации о микроскопическом строении вещества, о механизме явлений, а лишь устанавливает связи между макроскопическими параметрами вещества. Основа термодинамического метода заключается в определении состояния термодинамической системы, представляющей собой совокупность макроскопических тел, обменивающихся энергией друг с другом и с внешней средой. Состояние системы задается термодинамическими параметрами, характеризующими ее свойства. Обычно в качестве параметров состояния выбирают температуру, давление и удельный объем (объем единицы массы). Любое изменение в термодинамической системе, связанное с изменением хотя бы одного его термодинамического параметра, называется термодинамическим процессом. Макроскопическая система находится в термодинамическом равновесии, если ее состояние с течением времени не меняется. Развитие термодинамики было обусловлено проблемой усовершенствования тепловых двигателей (прежде всего – повышения коэффициента полезного действия паровой машины) и представлено работами В. Томсона и Р. Клаузиуса, выполненными в 1852–1854 гг., в которых формулируются основные принципы термодинамики – ее первое и второе начало. 54 Первое начало термодинамики представляет собой закон сохранения энергии в приложении к тепловым процессам: Q = U + A, где Q – количество теплоты, сообщенное системе, U – изменение внутренней энергии системы, A – работа, совершенная внешними силами. Поясним это важный термодинамический принцип. Всякая термодинамическая система в любом состоянии обладает внутренней энергией U, складывающейся из энергии теплового (поступательного, вращательного и колебательного) движения молекул и потенциальной энергией их взаимодействия. Возможны два способа изменения внутренней энергии термодинамической системы при ее взаимодействии с внешними телами: путем совершения работы A и путем передаче системе количества теплоты Q за счет теплообмена. Известно, что в процессе превращения энергии должен выполняться закон сохранения энергии, что и объясняет приведенную выше формулировку первого начала термодинамики. Из первого начала термодинамики следует важный вывод: невозможен вечный двигатель первого рода, т.е. такой двигатель, который совершал бы работу "из ничего", без внешнего источника энергии. При наличии внешнего источника часть энергии неизбежно переходит в энергию теплового, хаотического движения молекул, что и является причиной невозможности полного превращения энергии внешнего источника в полезную работу. Совершенно очевидным является тот факт, что распространение тепла представляет собой необратимый процесс. Это означает, что если реализуется какой-либо термодинамический процесс, то обратный процесс, при котором проходятся те же тепловые состояния, но только в обратном направлении, практически невозможен. Приведем два характерных примера необратимых процессов. Если привести в соприкосновение два тела с различной температурой, то более нагретое тело будет отдавать тепло менее нагретому телу. Обратный процесс – самопроизвольный переход тепла от менее нагретого тела к более нагретому, – никогда не произойдет. Столь же необратимым является и другой процесс – расширение газа в пустоту. Газ, находящийся в части сосуда, отдаленной от другой части перегородкой, заполняет весь сосуд после удаления перегородки. Газ никогда без постороннего вмешательства не соберется самопроизвольно в той же части сосуда, где он находился первоначально. Всякая предоставленная самой себе система стремится перейти в состояние термодинамического равновесия, в котором тела покоятся друг относительно друга, обладая одинаковыми температурами и давлением. Достигнув этого состояния, система сама по себе из не55 го не выходит. Значит, все термодинамические процессы, приближающиеся к тепловому равновесию, необратимы. В системе тел, находящихся в термодинамическом равновесии, без внешнего вмешательства невозможны никакие реальные процессы. Следовательно, с помощью тел, находящихся в термодинамическом равновесии, невозможно совершить никакую работу, так как работа связана с механическим движением, т.е. с переходом тепловой энергии в кинетическую. Утверждение о невозможности получения работы за счет энергии тел, находящихся в термодинамическом равновесии, составляет сущность второго начала термодинамики. Иногда этот принцип выражают в еще более простой форме: тепло не может перетечь самопроизвольно от холодного тела к горячему. Второе начало термодинамики является эмпирическим, поэтому существует несколько эквивалентных его формулировок: принцип Клаузиуса, принцип Томсона, принцип невозможности создания вечного двигателя второго рода. Окружающая нас среда обладает значительными запасами тепловой энергии. Двигатель, работающий только за счет энергии находящихся в тепловом равновесии тел, был бы для практики вечным двигателем. Второе начало термодинамики исключает возможность создания такого вечного двигателя второго рода. 4.2.4. Принцип возрастания энтропии, хаос и порядок В дальнейшем немецкий физик Р. Клаузиус использовал для формулировки второго начала термодинамики понятие энтропии, которое впоследствии австрийский физик Л. Больцман интерпретировал в терминах изменения порядка в системе. Поясним это на примере. Необратимость тепловых процессов имеет вероятностный характер. Самопроизвольный переход тела из равновесного состояния в неравновесное не невозможен, а лишь маловероятен. Так, молекулы газа стремятся к наиболее вероятному состоянию, т.е. состоянию с беспорядочным распределением молекул, при котором примерно одинаковое число молекул движется вверх и вниз, вправо и влево, при котором в каждом объеме находится примерно одинаковое число молекул, одинаковая доля быстрых и медленных молекул в верхней и нижней части какого-либо сосуда. Любое отклонение от такого беспорядка, хаоса, связано с уменьшением вероятности, т.е. представляет собой менее вероятное событие. Напротив, явления, связанные с перемешиванием, с созданием хаоса из порядка, увеличи56 вают вероятность состояния. Только при внешнем воздействии возможно рождение порядка из хаоса, при котором порядок вытесняет хаос. В качестве примеров, демонстрирующих порядок, можно привести созданные природой минералы, построенные человеком большие и малые сооружения. Количественной характеристикой теплового состояния тела является число микроскопических способов, которыми это состояние может быть осуществлено. Это число называется статистическим весом состояния, обозначаемым буквой . Тело, предоставленное самому себе, стремится перейти в состояние с большим статистическим весом. Принято пользоваться не самим числом , а его логарифмом, который еще умножается на постоянную Больцмана k. Определенную таким образом величину S = 1n , называют энтропией тела. Таким образом, второе начало термодинамики, определяющее направление тепловых процессов, можно сформулировать как закон возрастания энтропии: для всех происходящих в замкнутой системе тепловых процес сов энтропия системы возрастает; максимально возможное значение энтропии замкнутой системы достигается при тепловом равновесии : S 0. Идеальному случаю – полностью обратимому процессу замкнутой системы – соответствует неизмеяющаяся энтропия: S= 0. Все естественные процессы происходят так, что вероятность состояния возрастает, что означает переход от порядка к хаосу. Значит, энтропия характеризует меру хаоса, которая для всех естественных процессов возрастает. В этой связи становится понятным, почему механическое движение переходит в тепловое: механическое движение упорядочено, а тепловое беспорядочно, хаотично. В середине XIX в. активно обсуждалась проблема тепловой смерти Вселенной. Рассматривая Вселенную как замкнутую систему и применяя к ней второе начало термодинамики, Р.Ю. Клаузиус свел его содержание к утверждению, что энтропия Вселенной должна достигнуть своего максимума. Это означает, что все формы движения со временем должны перейти в тепловые. Переход же теплоты от горячих тел к холодным приведет к тому, что температура всех тел во Вселенной сравняется, т.е. наступит полное тепловое равновесие, и все процессы во Вселенной прекратятся, – наступит ее тепловая смерть. Ошибочность 57 вывода о тепловой смерти Вселенной заключается в том, что бессмысленно применять второе начало термодинамики к незамкнутым системам, например к такой безграничной и бесконечно развивающейся системе, как Вселенная. 4.2.5. Статистический подход к описанию макросистем Одновременно с созданием термодинамических методов исследования развивались и корпускулярные представления тепловых свойств макросистем, в соответствии с которыми, ставилась задача объяснения всех процессов, происходящих с макросистемами, на основе предположения о том, что вещество состоит из атомов или молекул, движение которых подчиняется законам механики Ньютона. К концу XIX в. была создана последовательная теория поведения больших общностей атомов и молекул – молекулярно-кинетическая теория, или статистическая механика. Многочисленными опытами была доказана справедливость этой теории. Процессы, изучаемые молекулярной физикой, являются результатом совокупного действия огромного числа молекул. Поведение громадного числа молекул анализируется с помощью статистического метода, который основан на том, что свойства макроскопической системы в конечном результате определяются свойствами частиц систем, особенностями их движения и усредненными значениями кинетических и динамических характеристик этих частиц (скорости, энергии, давления и т.д.). Например, температура тела определяется скоростью беспорядочного движения его молекул, но так как в любой момент времени разные молекулы имеют различные скорости, то она может быть выражена только через среднее значение скорости движения молекул. Нельзя говорить о температуре одной молекулы. Макроскопические характеристики тел имеют физический смысл лишь в случае большого числа молекул. В основе молекулярно-кинетических представлений о строении и свойствах макросистем лежат следующие положения: любое тело (твердое, жидкое или газообразное) состоит из большого числа весьма малых частиц – молекул (атомы можно рассматривать как одноатомные молекулы); молекулы всякого вещества находятся в беспорядочном, хаотическом, не имеющем какого-либо преимущественного направления движении; интенсивность движения молекул зависит от температуры вещества. Тепловые процессы связаны со строением вещества и его внутренней структурой. Например, нагревание кусочка парафина на несколько десятков градусов превращает его в 58 жидкость, а такое же нагревание металлического стержня заметно не влияет на него. Такое различное действие нагревания связано с различием во внутреннем строении этих веществ. Поэтому исследование тепловых явлений можно использовать для выяснения общей картины строения вещества. И, наоборот, определенные представления о строении вещества помогают понять физическую сущность тепловых явлений, дать им глубокое наглядное истолкование. Свойства и поведение макросистем, начиная от разреженных газов верхних слоев атмосферы и кончая твердыми телами на Земле, а также сверхтвердыми ядрами планет и звезд, определяются движением и взаимодействием друг с другом частиц, из которых состоят все тела: молекул, атомов, элементарных частиц. Непосредственным доказательством существования хаотического движения молекул служит броуновское движение, которое заключается в том, что весьма малые (видимые только в микроскоп) взвешенные в жидкости частицы всегда находятся в состоянии непрерывного, беспорядочного движения, совершаемого под влиянием беспорядочных ударов молекул. Количественным воплощением молекулярно-кинетических представлений служат опытные газовые законы (Бойля-Мариотта, Гей-Люссака, Авогадро, Дальтона), уравнение Клапейрона-Менделеева (уравнение состояния), закон Максвелла для распределения молекул по значениям их скоростей и др. Из основного уравнения молекулярно-кинетической теории вытекает важный вывод: средняя кинетическая энергия поступательного движения одной молекулы идеального газа прямо пропорциональна его термодинамической (абсолютной) температуре Т и зависит только от нее: Е=(3/2)кТ, где к – постоянная Больцмана; Т – температура. Из данного уравнения следует, что при Т= 0 средняя кинетическая энергия равна нулю, т.е. при абсолютном нуле прекращается поступательное движение молекул газа, а следовательно, его давление равно нулю. Термодинамическая температура – мера кинетической энергии поступательного движения идеального газа, а приведенная формула раскрывает молекулярно-кинетическое толкование температуры. В молекулярно-кинетической теории пользуются идеализированной моделью идеального газа, согласно которой: 59 собственный объем молекул газа пренебрежимо мал по сравнению с объемом сосуда; между молекулами газа отсутствуют силы взаимодействия; столкновения молекул газа между собой и со стенками сосуда абсолютно упругие. Модель идеального газа можно использовать при изучении реальных газов, так как в условиях, близких к нормальным (например, кислород и гелий), а также при низких давлениях и высоких температурах, они близки по своим свойствам к идеальному газу. Кроме того, внеся поправки, учитывающие собственный объем молекул газа и действующие молекулярные силы, можно перейти к теории реальных газов, из которой следует уравнение Ван-дер-Ваальса, описывающее состояние реального газа. При расчете различных процессов с помощью термодинамики многие физические параметры, например теплоемкости тел, необходимо определять экспериментально. Статистические же методы позволяют на основе данных о строении вещества определить эти параметры. Но количественная теория твердого и особенно жидкого состояния вещества очень сложна. Поэтому в ряде случаев простые расчеты, основанные на законах термодинамики, оказываются незаменимы. В настоящее время в науке и технике широко используются как термодинамические, так и статистические методы описания свойств макросистем. 4.3. Развитие концепций электромагнитного поля В XIX веке физики дополнили механистическую картину мира электромагнитной. Электрические и магнитные явления были известны давно, но изучались обособленно друг от друга. Первое систематизированное описание магнитных и электрических явлений изложено в труде английского естествоиспытателя, придворного врача английской королевы У. Гильберта (1540–1603) "О магните, магнитных телах и великом магните Земле" (1600). Этот труд Гильберта достоин особого внимания, потому, что Гильберт, отказавшись от легенд и преданий, изложил в нем результаты проведенных им опытов. Вопреки распространенному мнению о том, что магнитная стрелка устанавливается в направлении какой-то точки на небесном своде, причиной ориентировки магнитной стрелки Гильберт считал земной магнетизм. Гильберт занимался также изучением электрических явлений, в частности, провел детальные исследования электризации тел трением. Сравнение электрических и магнитных свойств тел и установление факта о разной природе притяжения у янтаря и магнита привело Гильберта к ошибочному выводу, что электрические и магнитные явления не имеют 60 между собой ничего общего. Электрические и магнитные явления были разделены на два класса и исследовались раздельно. Этот подход к изучению электрических и магнитных явлений оказал серьезное влияние на будущих исследователей и на всю историю электромагнетизма вплоть до конца XVIII в. Дальнейший ход развития науки показал, что между электричеством и магнетизмом существует глубокая взаимосвязь. В 1820 г. датский ученый Г. Эрстед (1777–1851) обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку, помещенную вблизи проводника с током. Явление, лежащее в основе открытия Эрстеда, было объяснено Ампером магнитным действием тока. Взаимодействия токов настолько отличались от прежде известных электрических явлений, что Ампер назвал эти новые явления электродинамическими и предложил разделение науки об электричестве на электростатику и электродинамику. Открытие Эрстеда повлекло за собой цикл экспериментальных работ М. Фарадея (1791–1867), разработавшего концепцию электромагнитного поля и теоретических работ Д.К. Максвелла (1831–1879), воплотивших эту концепцию в строгую теорию электромагнетизма, что с полным правом считается величайшим достижением научной мысли. 4.3.1. "Экспериментальные исследования по электричеству" Фарадея К концепции электромагнитного поля Фарадея привело открытие электромагнитной индукции, – явления, в существовании которого он был уверен и к которому он шел долгие годы. Если открытие Эрстеда устанавливало магнитное действие электрического тока, то Фарадей поставил перед собой обратную задачу –превратить магнетизм в электричество. Решением этой задачи было открытие в 1831 г. электромагнитной индукции – получения электрического тока путем изменения магнитного поля в пространстве, охватываемом замкнутым электрическим контуром. Открытие электромагнитной индукции проложило путь к современным электрогенераторам. Первый же электрический генератор, созданный Фарадеем, представлял собой медный диск, вращающийся между полюсами подковообразного магнита. Напряжение с диска снималось при помощи скользящих контактов. Открытие Фарадеем электромагнитной индукции относится к считанным по пальцам руки событиям, оказавшим решающее влияние на прогресс человечества. Свои представления об электрических и магнитных явлениях Фарадей изложил в фундаментальном труде "Экспериментальные исследования по электричеству" (1833 –1855), 61 выражающем общую концепцию электричества и магнетизма, базирующейся на понятии передачи взаимодействия посредством некоторой материальной среды, названной Фарадеем "полем" и на понятии "силовых линий", пронизывающих поле и определяющих направление и величину действующих сил. Увидеть силовые линии магнитного поля по Фарадею просто: достаточно насыпать железные опилки на бумагу и поднести снизу магнит. Об электрическом поле можно получить представление, если продолговатые кристаллики какого-либо диэлектрика (например, хинина) взболтать в какой-либо вязкой жидкости: в электрическом поле кристаллики дают картину силовых линий. На основе экспериментальных исследований Фарадея английский физик Максвелл создал свою электромагнитную теорию. 4.3.2. Теория электромагнетизма Максвелла Теория электромагнетизма Максвелла – единая теория электрических и магнитных явлений, возникшая как переложение идей Фарадея на строгий математический язык. Основу теории электромагнетизма Максвелла составляют уравнения электромагнитного поля, обобщающие экспериментальные законы электромагнетизма и известные как уравнения Максвелла. Приведем эти уравнения: Div E = 4 Rot E = -1/c H/ t , Div H = 0 , Rot H = 4 j /c + 1/c E/ t . В этих уравнениях использована сокращенная запись операций дифференцирования (в виде Rot и Div) над компонентами векторов электрического и магнитного поля E и H. Не вдаваясь в суть математических операций, поясним физический смысл этих уравнений. Первые два уравнения Максвелла утверждают, что электрическое поле E создается двумя путями: электрическими зарядами (в этом случае силовые линии начинаются на положи- тельных и заканчиваются на отрицательных зарядах); переменным магнитным полем H (в этом случае электрическая силовая линия замкнута и охватывает меняющийся магнитный поток). Вторые два уравнения Максвелла описывают магнитное поле и утверждают, что: 62 магнитное поле H не имеет источников (нет магнитных зарядов); магнитное поле создается электрическими токами j и переменным электрическим полем E. Уравнения Максвелла не симметричны относительно электрического и магнитного полей. Это связано с тем, что в природе существуют электрические заряды и нет зарядов магнитных. В стационарном случае, когда электрическое и магнитное поля не изменяются во времени, источниками электрического поля являются только электрические заряды, а источниками магнитного – только токи проводимости. В данном случае электрическое и магнитное поле независимы друг от друга (уравнения Максвелла переходят в уравнения электро- и магнитостатики), что и позволяет изучать отдельно постоянные электрические и магнитные поля. Из уравнений Максвелла следует, что переменное магнитное поле всегда связано с порождаемым им электрическим полем, а переменное электрическое поле связано с порождаемым им магнитным, т.е. переменное магнитное поле не может существовать без электрического, а переменное электрическое - без магнитного, они образуют единое электромагнитное поле. Теория электромагнетизма Максвелла, являясь обобщением основных законов электрических и магнитных явлений, не только смогла объяснить уже известные к тому времени экспериментальные факты, но и предсказала новые явления. Так было предсказано существование электромагнитных волн – переменного электромагнитного поля, распространяющегося в пространстве с конечной скоростью. В дальнейшем было показано, что скорость распространения электромагнитного поля в вакууме равна скорости света. Систематическому изложению теории электромагнетизма Максвелла посвящен его "Трактат об электричестве и магнетизме" (1871). Специальный раздел в своем учении Максвелл уделяет электромагнитной теории света. Экспериментальное доказательство существования электромагнитных волн было проведено в 1887 г. немецким физиком Г. Герцем (1857–1894) с помощью лабораторной установки, позволившей впервые получить и зарегистрировать электромагнитную волну. Герцем были проведены опыты, показавшие, что электромагнитные волны обладают всеми свойствами света: отражением, преломлением, интерференцией, дифракцией, поляризацией, распространяются со скоростью света. Эти выводы явились подтверждением того факта, что свет также представляет собой электромагнитную волну. 63 Завершением экспериментального доказательства существования электромагнитных волн было первое практическое применение электромагнитных волн для связи, осуществленное в 1896 г. русским физиком А.С. Поповым (1859–1905). 12 марта 1896 г. Попов передал первую в мире радиограмму, состоящую из двух слов: "Генрих Герц", которые были записаны на телеграфную ленту. В июне 1896 г., спустя несколько месяцев после выхода в свет статьи Попова и после демонстрации им первой приемопередаточной установки, появилось сообщение о том, что итальянец Г. Маркони оформил патент на аналогичное изобретение. Само же описание установки, которую запатентовал Маркони, было опубликовано только через год. В истории развития электромагнетизма знаменателен тот факт, что в этой области впервые научные исследования предшествовали техническим применениям. Если паровая машина была построена задолго до создания теории тепловых процессов, то сконструировать электродвигатель или радиоприемник оказалось возможным лишь после открытия и изучения законов электродинамики. Многочисленные практические применения электромагнитных явлений несомненно способствовали существенному преобразованию сферы деятельности человека и развитию цивилизации в целом. 4.3.3. Корпускулярная и континуальная концепция описания природы Что же такое физическое поле? Можно ли его представить наглядно с помощью простых доступных нашему пониманию образов? Как оно соотносится с представлениями о частицах вещества? Самое простое представление о поле дает сплошная среда, например вода, заполняющая некоторую область пространства (или же вообще все пространство). Эта среда может иметь в разных точках, различную температуру, по-разному двигаться. Именно конкретное физическое свойство среды, разное в разных точках и доступное для измерений, физически определяет поле. В связи с этим различают поле температур, поле скоростей, силовое поле и т.д. Математически поле определяется тем, что в каждой точке пространства, где оно имеется, задается некоторая пространственная функция: скалярная, векторная тензорная или другая, которая в общем случае может изменяться со временем. Сплошная среда может занимать значительные области пространства, свойства ее изменяются непрерывно, в сплошной среде нет резких границ. Этим поле и сплошная среда 64 принципиально отличаются от физического тела с определенными границами. Идеальные образы очень маленьких тел (например, атомов или молекул) – материальные точки – не имеют размеров и границ, и они представляются на фоне другой среды – пустого пространства (вакуума), заполненного какой-нибудь материальной средой. В философском плане разделение мира на тела и частицы, с одной стороны, и сплошную среду, поле и сплошное пространство – с другой, соответствует выделению двух крайних свойств мира – его дискретности и непрерывности. Дискретность (или прерывность) означает зернистость, конечную делимость пространственно-временного строения и состояния предмета или объекта, его свойств и форм движения, тогда как непрерывность выражает единство, целостность и неделимость объекта, сам факт его устойчивого состояния. В математике этим философским категориям соответствует дискретное множество натуральных чисел и непрерывное множество (континуум) действительных чисел. В рамках классической физики дискретные и непрерывные свойства мира первоначально выступают как противоположные друг другу, отдельные и независимые друг от друга, хотя в целом и дополняющие общее представление о мире. И только развитие концепции поля главным образом для описания электромагнитных явлений позволило понять их диалектическое единство. В современной физике это единство противоположностей, дискретного и непрерывного нашло более глубокое физико-математическое обоснование в концепции корпускулярно-волнового дуализма. 4.3.4. Развитие представлений о свете Теория Максвелла и ее экспериментальное подтверждение приводят к единой теории электрических, магнитных и оптических явлений, базирующейся на представлении об электромагнитном поле. Все окружающее нас пространство пронизано электромагнитными полями. Солнце, Космос, окружающие нас приборы, антенны радиостанций и телевизионных передатчиков испускают электромагнитные волны, которые, в принципе могут иметь любую частоту – от нуля до бесконечно большой. Классификация электромагнитных волн по частотам называется спектром электромагнитных волн. Электромагнитные волны в зависимости от частоты носят разные названия: радиоволны; инфракрасное излучение; видимый свет; рентгеновские лучи; гамма-излучение. Световые волны занимают лишь небольшой интервал электромагнитного спектра: 65 Электромагнитный спектр, f,Гц. 104 105 Р 106 а д 107 и 108 о в 109 о 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017 1018 1019 л н ы - Широко- Корот- Диапа- Микро- Инфра- Ви- Ультра- Рент- веща- ко- зон волновый красный ди- фиолето- генов- из- тельный волно- видео- диапазон диапазон мый диапазон вый частот свет вый диапазон диапа- ское лу- излу- чечение ние зон Согласно современным представлениям, электромагнитная (волновая) природа света – это лишь одна разновидность проявления света. Другая разновидность характеризуется его квантовой природой. Такое двойственное представление природы света сложилось в результате длительного развития теории света. В конце XVII в. почти одновременно возникли две, казалось бы взаимоисключающие, теории света: И. Ньютон предложил теорию, согласно которой свет представляет собой поток световых частиц (корпускул), летящих от светящегося тела по прямолинейным траекториям; Х. Гюйгенс (1629–1695) выдвинул волновую теорию, согласно которой свет рассматривается как упругая волна, распространяющаяся в мировом эфире. В течение ста с лишним лет корпускулярная теория имела гораздо больше приверженцев, чем континуальная – волновая, однако в начале XIX в. французскому физику О. Френелю (1788–1827) удалось на основе волновых представлений объяснить все известные в то время оптические явления. В результате волновая теория света получила всеобщее признание, а корпускулярная теория была забыта почти на столетие. Приверженцы волновой теории считали, что свет – это поперечная волна, распространяющаяся в гипотетической упругой среде, заполняющей все пространство – мировом эфире. После создания Максвеллом электромагнитной теории на смену упругим электромагнитным волнам пришли электромагнитные волны. Наиболее наглядно волновые свойства света проявляются в явлениях интерференции и дифракции. 66 Интерференция света заключается в том, что при взаимном наложении двух волн происходит усиление или ослабление колебаний. Интерференция света была объяснена в 1801 г. английским ученым Т. Юнгом (1773–1829), который провел ставший теперь классическим опыт с двумя отверстиями. На экране кончиком булавки прокалывались два близко расположенных отверстия, которые освещались солнечным светом из небольшого отверстия в зашторенном окне. За экраном наблюдалась вместо двух ярких точек серия чередующихся темных и светлых колец. Необходимым условием наблюдения интерференции волн является их когерентность (согласованность протекания волновых процессов). Явление интерференции широко используется в приборах – интерферометрах, с помощью которых осуществляются различные точные измерения и производится контроль чистоты обработки поверхности деталей, а также многие другие операции контроля. Дифракция света заключается в отклонении света от прямолинейного распространения, в огибании световыми волнами препятствий. На явлении дифракции основаны многие оптические приборы. В частности, в кристаллографической аппаратуре используется дифракция рентгеновских лучей. Волновую природу света подтверждает и явление дисперсии света, наблюдаемое при прохождении через стеклянную призму узкого параллельного пучка естественного света. Исходный пучок при этом распадается на пучки разного цвета. Наблюдаемую радужную полоску называют сплошным спектром. Разложение естественного света в спектр объясняется тем, что свет состоит из электромагнитных волн с различной длиной волны. Так как показатель преломления зависит от длины волны, то слагающие естественный свет компоненты отклоняются на различные углы: наибольшее значение показателя преломления имеет свет с самой короткой длиной волны – фиолетовый, наименьшее – самый длинноволновый – красный. Зависимость показателя преломления от длины волны определяет зависимость скорости света в среде от длины волны, т.е. его дисперсию. Изучение явлений интерференции, дифракции, дисперсии привели к утверждению волновой теории света. В конце XIX – начале XX вв. ряд новых опытных фактов заставил вновь вернуться к представлениям об особых световых частицах, названных фотонами. Было установлено, что свет имеет двойственную природу, сочетая в себе как волновые свойства, так и свойства, присущие частицам. В одних явлениях свет ведет себя как волна, в других – как поток частиц (фотонов). 67 Корпускулярные свойства света. В 1887 г. Г. Герц при освещении цинковой пластины, соединенной со стержнем электрометра, обнаружил явление фотоэлектрического эффекта, заключающееся в испускании электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Количественные закономерности фотоэффекта были установлены в 1888–1889 гг. русским физиком А.Г. Столетовым (1839–1896). Объяснить основные законы фотоэффекта на основе волновых представлений не удалось. Электромагнитная теория света не могла объяснить независимость энергии фотоэлектронов от интенсивности светового излучения, существование красной границы фотоэффекта (отсутствие фотоэффекта, если частота света меньше некоторой определенной для данного вещества минимальной частоты), пропорциональность кинетической энергии фотоэлектронов частоте света. Теория электромагнитного излучения не могла объяснить также процессы поглощения и испускания света, комптоновское рассеяние и т.д. Перечисленные затруднения и противоречия были преодолены благодаря смелой гипотезе, высказанной в 1900 г. немецким физиком М. Планком (1858–1947), согласно которой излучение света происходит не непрерывно, а дискретно, т.е. определенными порциями (квантами), энергия которых Е определяется частотой : Е = h , где h –постоянная Планка. На основе квантовых представлений в 1905 г. выдающимся физиком-теоретиком А. Эйнштейном (1879–1955) было дано объяснение основных законов фотоэффекта. Таким образом, все многообразие изученных свойств и законов распространения света, его взаимодействия с веществом показывают, что свет имеет сложную природу: он представляет собой единство противоположных свойств – корпускулярного (квантового) и волнового; единство дискретности и непрерывности (корпускулярности и континуальности). 4.3.5. Концепция дальнодействия и близкодействия Благодаря исследованиям и достижениям Эрстеда, Фарадея, Максвелла, Герца, Попова было показано, что материя существует не только в виде вещества, но и в виде поля. Признание реальности электромагнитного поля означало победу в физике концепции близкодействия над общепринятой в XIX в. концепцией дальнодействия . Рассмотрим, в чем состоит суть этих концепций. 68 Дальнодействие и близкодействие – противоположные концепции, призванные объяснить общий характер взаимодействия физических объектов. Сразу же после открытия Ньютоном закона всемирного тяготения, а затем – после открытия Кулоном закона электростатического взаимодействия зарядов, возникли вопросы философского содержания: почему физические тела, обладающие массой, действуют друг на друга на расстоянии через пустое пространство, и почему заряженные тела взаимодействуют даже через электрически нейтральную среду? До введения понятия поля не было удовлетворительных ответов на данные вопросы. Долгое время считалось, что взаимодействие между телами может осуществляться непосредственно через пустое пространство, которое не принимает участия в передаче взаимодействия и передача взаимодействия, таким образом, происходит мгновенно. Такое предположение составляет сущность концепции дальнодействия, допускающей действие вне времени и пространства. После Ньютона эта концепция получает широкое распространение в физике, хотя сам Ньютон понимал, что введенные им силы дальнодействия (например, тяготения) являются лишь формальным приемом, позволяющим дать верное в некоторых пределах описание наблюдаемых явлений. В исследованиях по электричеству и магнетизму концепция дальнодействия незадолго до исследований Фарадея одержала победу над господствовавшей долгое время механистической концепцией близкодействия, по которой взаимодействующие тела должны соприкасаться. Эта победа привела к ряду важных теорий и законов (закон Кулона, электродинамика Ампера). Однако к середине XIX в. идея о необходимости отказа от дальнодействия в электродинамике, признания принципа близкодействия и конечной скорости распространения электромагнитных возмущений начала овладевать умами ученых (Гаусс, Риман), однако никто, кроме Максвелла, не разработал эту идею и не довел ее до степени научной теории. Концепция близкодействия утверждает, что любое воздействие на материальные объекты может быть передано лишь от данной точки пространства к ближайшей соседней точке и за конечный промежуток времени. В теории электромагнетизма Максвелла было доказано, что взаимодействие электрически заряженных тел осуществляется не мгновенно, а с конечной скоростью, равной скорости света в пустоте – 300000 км/с. Таким образом, выработка концепции физического поля способствовала упрочению концепции близкодействия, которая распространяется не только на электромагнитное, но и на другие типы взаимодействий. 69 4.4. Развитие концепций пространства и времени в специальной теории относи- тельности В механистической картине мира понятия пространства и времени рассматривались безотносительно к свойствам движущейся материи. Пространство выступало в ней как своеобразное вместилище для движущихся тел, а время – как параметр, знак которого можно менять на обратный. Другой особенностью механистической картины мира является то, что в ней пространство и время как формы существования материи изучаются отдельно и обособленно, вследствие чего их связь не устанавливается. 4.4.1. Принцип относительности Когда в естествознании господствовала механистическая картина мира и существовала тенденция сводить объяснение всех явлений природы к законам механики, принцип относительности, сформулированный Галилеем в рамках классической механики, не подвергался никакому сомнению. Положение резко изменилось, когда физики вплотную приступили к изучению электрических, магнитных и оптических явлений. Максвелл объединил все эти явления в рамках единой электромагнитной теории. В связи с этим естественно возник вопрос: выполняется ли принцип относительности и для электромагнитных явлений? В 1905 г. французский математик и физик А. Пуанкаре (1854–1912) сформулировал принцип относительности как общий физический закон, справедливый и для механических и электромагнитных явлений. Согласно этому принципу, законы физических явлений должны быть одинаковы как для покоящегося наблюдателя, так и для наблюдателя, находящегося в состоянии равномерного прямолинейного движения. На основе принципа относительности развилась новая физическая теория пространства и времени – специальная теория относительности. А. Пуанкаре первым высказал мысль о том, что принцип равноправия всех инерциальных координатных систем должен распространяться и на электромагнитные явления, т.е. принцип относительности применим ко всем явлениям природы. Это вело к необходимости пересмотра представлений о пространстве и времени. Однако Пуанкаре не указал на необходимость этого. Это было впервые сделано А. Эйнштейном (1979–1955). Специальная теория относительности – физическая теория, рассматривающая пространство и время как тесно связанные между собой формы существования материи. Специальная теория относительности была создана в 1905–1908 гг. трудами Х. Лоренца, А. 70 Пуанкаре, А. Эйнштейна и Г. Минковского на основе анализа опытных данных, относящихся к оптическим и электромагнитным явлениям, обобщением которых являются постулаты: принцип относительности, согласно которому все законы природы должны быть одинаковы во всех инерциальных системах отсчета; принцип постоянства скорости света, согласно которому скорость света в пустоте одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от движения источников и приемников света. Принцип относительности в формулировке Эйнштейна представляет собой обобщение принципа относительности Галилея, сформулированного лишь для механического движения. Этот принцип следует из целого ряда опытов, относящихся к электродинамике и оптике движущихся тел. Точные опыты Майкельсона в 80-х годах XIX в. показали, что при распространении электромагнитных волн скорости не суммируются. Например, если вдоль направления движения поезда, скорость которого равна v1, послать световой сигнал со скоростью v2, близкой к скорости света в вакууме, то скорость перемещения сигнала по отношению к платформе оказывается меньше суммы v1+v2 и вообще не может превышать скорость света в вакууме. Скорость распространения светового сигнала не зависит от скорости движения источника света. Этот факт вступил в противоречие с принципом относительности Галилея. Принцип постоянства скорости света может быть, например, проверен при измерении скорости света от противоположных сторон вращающегося Солнца: один край Солнца всегда движется к нам, а другой – в противоположную сторону. Несмотря на движение источника, скорость света в пустоте всегда одинакова и равна с=300000 км/с. Эти два принцип противоречат друг другу с точки зрения основных представлений классической физики. Возникла дилемма: отказ либо от принципа постоянства скорости света, либо от принципа относительности. Первый принцип установлен настолько точно и однозначно, что отказ от него был бы явно неоправданным и к тому же связан с чрезмерным усложнением описания процессов природы. Не меньшие трудности возникают и при отрицании принципа относительности в области электромагнитных процессов. 71 Кажущееся противоречие принципа относительности закону постоянства скорости света возникает потому, что классическая механика, по заявлению Эйнштейна, опиралась "на две ничем не оправданные гипотезы": промежуток времени между двумя событиями не зависит от состояния движения системы отсчета; пространственное расстояние между двумя точками твердого тела не зависит от состояния движения системы отсчета. Исходя из этих, кажущихся вполне очевидными, гипотез классическая механика молчаливо признавала, что величины промежутка времени и расстояния имеют абсолютные значения, т.е. не зависят от состояния движения тела отсчета. Выходило, что если человек в равномерно движущемся вагоне проходит, например, расстояние в 1 метр за одну секунду, то этот же путь по отношению к полотну дороги он пройдет тоже за одну секунду. Аналогично этому считалось, что пространственные размеры тел в покоящихся и движущихся системах отсчета остаются одинаковыми. И хотя эти предположения с точки зрения обыденного сознания и здравого смысла кажутся само собой очевидными, тем не менее, они не согласуются с результатами тщательно проведенных экспериментов, подтверждающих выводы новой, специальной теории относительности. 4.4.2. Преобразование Лоренца Эйнштейн при работе над специальной теорией относительности не отказался от принципа относительности, а, напротив, придал ему более общий вид. При этом потребовалось коренным образом преобразовать понимание пространства и времени, одним словом, создать принципиально новую теорию изменения пространственно-временных отношений между объектами. Рассмотрим, каким условиям должны удовлетворять преобразования пространственных координат и времени при переходе от одной системы отсчета к другой. Если принять предположение классической механики об абсолютном характере расстояний и времени, то уравнения преобразования, называемые преобразованием Галилея, будут иметь следующий вид: x = x’ + vt’, y = y’, z = z’, 72 t = t’. Однако признание принципа постоянства скорости света требовало замены преобразования Галилея другими формулами, не противоречащими этому принципу. Эйнштейн показал, что таким преобразованием, не противоречащим принципу постоянства скорости, является, так называемое преобразование Лоренца, названное по имени нидерландского физика Х. А. Лоренца (1853–1928). В случае, когда одна система отсчета движется относительно другой равномерно и прямолинейно вдоль оси абсцисс х, формулы преобразования Лоренца, включающие преобразование времени имеют вид: x = (x’+vt’)/(1-v 2 /c 2 ) 1 / 2 , y = y’ , z = z’ , t = (t’+vx’/c 2 )/(1-v 2 /c 2 ) 1 / 2 , где v – скорость движения системы координат ординат (x,y,z), (x’,y’,z’) относительно системы ко- c – скорость света. Опираясь на преобразования Лоренца, легко проверить, что твердая линейка, движущаяся в направлении ее длины, будет короче покоящейся, и тем короче, чем быстрее она движется. В самом деле, используя первое уравнение преобразования Лоренца, получим, что длина движущейся линейки относительно неподвижной системы отсчета l=l 0 (1– v 2 /c 2 ) 1 / 2 , где l0 – длина линейки в системе отсчета, связанной с линейкой. 4.4.3. Релятивистская механика Специальная теория относительности возникла из электродинамики и мало чем изменила ее содержание, но зато значительно упростила ее теоретическую конструкцию, т.е. вывод законов и, самое главное, уменьшила количество независимых гипотез, лежащих в ее основе. С классической механикой дело обстоит несколько иначе. Для того, чтобы согласоваться с постулатами специальной теории относительности, классическая механика нуждается в некоторых изменениях. Эти изменения касаются в основном законов быстрых движений, т.е. движений, скорость которых сравнима со скоростью света. В обычных земных условиях мы встречаемся со скоростями, значительно меньшими скорости света, и поэтому по- 73 правки, которые требует вносить теория относительности, имеют крайне малую величину и ими во многих случаях практически можно пренебречь. Новая механика, основанная на специальном принципе относительности Эйнштейна, который представляет собой объединение принципа относительности с утверждением о конечности максимальной скорости распространения взаимодействия, получила название релятивистской механики. Основными выводами релятивистской механики являются утверждения о том, что масса тела m, его длина скорости тела v l и длительность события к скорости света c t зависят от величины отношения и определяются формулами: m = m 0 /(1 - v 2 /c 2 ) 1 / 2 , l = l 0 (1 -v 2 /c 2 ) 1 / 2 , t = t 0 /(1 - v 2 /c 2 ) 1 / 2 , где m0 , l0 , t0 – масса тела, его длина и длительность события в системе отсчета, связанной с телом. Например, если два космических корабля находятся в состоянии относительного движения, то наблюдатель на каждом из кораблей будет видеть другой корабль сократившимся в направлении движения, а космонавтов – похудевшими и передвигающимися замедленно. Все явления с периодическими движениями будут казаться замедленными, - движение маятника, колебание атомов и т.д. При обычных скоростях эти изменения чрезвычайно малы: Земля, которая движется вокруг Солнца со скоростью 30 км/час, показалась бы наблюдателю, покоящемуся относительно Солнца, сократившейся всего лишь на несколько сантиметров. Когда относительные скорости очень велики, изменения становятся значительными. В дополнение к изменениям длины и времени, релятивистская механика дает релятивистское изменение массы. Масса тела, определяемая путем измерения силы, необходимой для сообщения телу данного ускорения, называется инертной массой. Для наблюдателя, находящегося в космическом корабле и покоящегося относительно какого-то предмета инертная масса этого предмета, остается одной и той же независимо от скорости корабля v и называется массой покоя. Инертная масса этого предмета для наблюдателя, находящегося на Земле, называется релятивистской массой и зависит от относительной скорости наблюдателя и объекта наблюдения. Когда скорость тела приближается к скорости света, масса его неограниченно 74 растет и в пределе приближается к бесконечности. Поэтому согласно теории относительности движения со скоростью, превышающей скорость света, невозможны. Из релятивистской механики можно вывести закон взаимосвязи массы и энергии, играющий фундаментальную роль в ядерной физике: E = mc 2 , где m – масса тела, E – его энергия. Экспериментальная проверка основных выводов релятивистской механики используется для обоснования специальной теории относительности Эйнштейна, подтверждаемой ежедневно в лабораториях ученых – атомщиков, работающих с частицами, движущимися со скоростями, близкими к скорости света. Движения со скоростями, сравнимыми со скоростью света, впервые удалось наблюдать на примере электронов, а затем и других элементарных частиц. Тщательно поставленные эксперименты с такими частицами действительно подтвердили предсказания специальной теории относительности об увеличении их массы с возрастанием скорости. При обычных скоростях v << c релятивистская механика переходит в классическую механику Ньютона. Достаточно, например, отметить, что даже при скорости движения спутника Земли, равной примерно 8 км/с, поправка к массе составит около одной двух- миллиардной ее части. В 1928 г. Английский физик П. Дирак объединил специальную теорию относительности и квантовую механику (механику микрочастиц) в релятивистскую квантовую механику, описывающую движение микрочастиц при скоростях, близких к скорости света. 4.4.4. Четырехмерное пространство-время в специальной теории относительности В ходе разработки своей теории Эйнштейну пришлось пересмотреть прежние представления классической механики о пространстве и времени. Прежде всего, он отказался от ньютоновского понятия абсолютного пространства и определения движения тела относительно этого абсолютного пространства: каждое движение тела происходит относительно определенного тела отсчета и поэтому все физические процессы и законы должны формулироваться по отношению к точно указанной системе отсчета или координат. Следовательно, не существует никакого абсолютного расстояния, длины или протяженности, также как не может быть никакого абсолютного времени. Тот факт, что расстояние и время в теории относительности определяются наблюдателем по отношению к определенной системе отсчета, отнюдь не свидетельствует о том, что 75 эти понятия имеют произвольный характер, устанавливаемый субъектом. Субъект лишь фиксирует и точно определяет объективное отношение, существующее между процессами, совершающимися в разных системах отсчета. Таким образом, вместо абстрактных рассуждений об абсолютном движении, в теории относительности рассматривают конкретные движения тел по отношению к конкретным системам отсчета, связанным с конкретными телами. Другой важный результат специальной теории относительности относится к признанию связи обособленных в классической механике понятий пространства и времени. Как мы уже знаем, положение тела в пространстве определяется тремя его координатами х, у, z, но для описания его движения необходимо ввести еще четвертую координату – время t. Таким образом, вместо разобщенных координат пространства и времени, теория относительности рассматривает взаимосвязанный мир физических событий, который часто называют четырехмерным пространством. Подобная трактовка пространства-времени впервые была предложена немецким математиком и физиком Г. Минковским (1864–1909). Согласно Минковскому, каждый элемент четырехмерного пространства-времени определяется тремя пространственными координатами x4= ct x1 , x 2 , x 3 и четвертой – временной (c – скорость света). По словам Минковского, "отныне пространство само по себе и время само по себе должны обратиться в фикции, и лишь некоторый вид соединения обоих должен сохранить самостоятельность." Смысл этого утверждения состоит в том, что понятие пространства в физике не может быть установлено независимо от понятия движения. Новые понятия и принципы теории относительности существенно изменили не только физические, но и общенаучные представления о пространстве, времени и движении, которые господствовали в науке более двухсот лет. Особенно резкое сопротивление они встретили со стороны так называемого здравого смысла, который в конечном итоге также ориентируется на доминирующие в обществе научные взгляды, почерпнутые из классической науки. Действительно, всякий, кто впервые знакомится с теорией относительности, нелегко соглашается с ее выводами. Опираясь на повседневный опыт, трудно представить, что длина линейки или твердого тела в движущейся инерциальной системе сокращается в направлении их движения, а временной интервал увеличивается. В связи с этим представляет интерес парадокс близнецов, который нередко приводят для иллюстрации теории относительности. Пусть один из близнецов отправляется в космическое путешествие, а другой – остается на Земле. Поскольку в равномерно движущемся с 76 огромной скоростью космическом корабле темп времени замедляется, и все процессы происходят медленнее, чем на Земле, то космонавт, вернувшись на Землю, окажется моложе своего брата. Такой результат кажется парадоксальным с точки зрения привычных представлений, но вполне объяснимым с позиций теории относительности. В его пользу говорят наблюдения над элементарными частицами, названными мю-мезонами, или мюонами. Средняя продолжительность существования таких частиц около 2 мкс, но, тем не менее, некоторые из них, образующиеся на высоте 10 км, долетают до поверхности земли. Как объяснить этот факт? Ведь при средней "жизни" в 2 мкс эти частицы могут проделать путь только 600 м. Все дело в том, что продолжительность существования мюонов определяется по-разному для разных систем отсчета. С "их" точки отсчета, они живут 2 мкс, с нашей же, земной – значительно больше, так что некоторые из них, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света, достигают поверхности Земли. 4.4.5. Экспериментальное подтверждение специальной теории относительности Необычность результатов, которые дает специальная теория относительности, сразу же поставили вопрос об их опытной проверке. Предварительно, однако, заметим, что сама эта теория возникла из электродинамики и поэтому все эксперименты, которые подтверждают электродинамику, косвенно подтверждают также теорию относительности. Но кроме подобных косвенных свидетельств существуют эксперименты, которые непосредственно подтверждают выводы теории относительности. Одним из таких экспериментов является опыт, поставленный французским физиком А. Физо (1819–1896) еще до открытия теории относительности. Он задался целью определить, с какой скоростью распространяется свет в неподвижной жидкости и жидкости, протекающей по трубке с некоторой скоростью. Если в покоящейся жидкости скорость света равна v0 , то скорость v в движущейся жидкости можно определить тем же способом, каким мы определяем скорость движущегося человека в вагоне по отношению к полотну дороги. Трубка играет здесь роль полотна дороги, жидкость – роль вагона, а свет – бегущего по вагону человека. С помощью тщательных измерений, многократно повторенных разными исследователями, было установлено, что результат сложения скоростей соответствует здесь преобразованию Лоренца и, следовательно, подтверждает выводы специальной теории относительности. Наиболее выдающимся подтверждением этой теории был отрицательный результат опыта американского физика А. Майкельсона (1852–1931), предпринятый для проверки 77 гипотезы о световом эфире. Согласно господствовавшим в то время воззрениям, все мировое пространство заполнено эфиром – особым веществом, являющимся носителем световых волн. Вначале эфир уподоблялся механической упругой среде, а световые волны рассматривались как колебания этой среды, сходные с колебаниями воздуха при звуковых волнах. Но эта механическая модель эфира в дальнейшем встретилась с серьезными трудностями, так как, будучи твердой упругой средой, она должна оказывать сопротивление движению небесных тел, но ничего этого в действительности не наблюдалось. В связи с этим пришлось отказаться от механической модели, но существование эфира как особой всепроникающей среды по-прежнему признавалось. Для того, чтобы обнаружить движение Земли относительно неподвижного эфира, Майкельсон решил измерить время прохождения светового луча по горизонтальному направлению движения Земли и направлению, перпендикулярному к этому движению. Если существует эфир, то время прохождения светового луча по горизонтальному и перпендикулярному направлениям должно быть неодинаковым, но никакой разницы Майкельсон не обнаружил. Тогда для спасения гипотезы об эфире Лоренц предположил, что в горизонтальном направлении происходит сокращение тела в направлении движения. Чисто отрицательный результат опыта Майкельсона стал для Эйнштейна через 18 лет решающим экспериментом для доказательства того, что никакого эфира как абсолютной системы отсчета не существует. Сокращение же тела объясняется таким же способом, как при относительном движении инерциальных систем отсчета. 4.5. Общая теория относительности Общая теория относительности представляет собой новую теорию тяготения, более общую и глубокую, чем ньютоновская теория. В общей теории относительности установлено, что метрические свойства пространства определяются распределением и взаимодействием тяготеющих масс, а силы тяготения зависят от свойств пространства. В общей теории относительности поставлены фундаментальные проблемы: конечности – бесконечности пространства и времени, соотношения материи, движения, пространства и времени. 4.5.1. Принцип эквивалентности В тот период, когда начала развертываться дискуссия по поводу специальной теории относительности, Эйнштейн продолжал работать над вопросами этой теории и в 1907 г. сформулировал так называемый принцип эквивалентности, утверждающий эквивалентность сил инерции и тяготения. Это привело его в дальнейшем к построению в 1916 г. общей теории относительности – физического учения о пространстве, времени и тяготении. 78 Общая теория относительности решила проблему формулирования физических законов в произвольной системе отсчета. В специальной теории относительности, как мы видели, все системы отсчета предполагаются инерциальными, т.е. движущимися друг относительно друга равномерно и прямолинейно. Это название отражает тот факт, что для подобных систем отсчета выполняется закон инерции. Относительно всех инерциальных систем отсчета законы движения тел описываются одинаково, т.е. имеют ту же математическую форму и выражаются теми же уравнениями. До сих пор мы рассматривали движение тел по отношению к инерциальным системам отсчета. Что произойдет, если одна из систем будет двигаться ускоренно? По своему опыту мы знаем, что, находясь в равномерно движущемся вагоне, нам кажется, что движется не наш вагон, а неподвижно стоящий рядом поезд. Это впечатление сразу исчезнет, как только наш вагон сильно затормозит, и мы ощутим толчок вперед. Если принять теперь за систему отсчета замедленно или ускоренно движущийся вагон, то такая система будет неинерциальной. Общая же теория относительности утверждает одинаковость законов природы не только в инерциальных, но и в неинерциальных системах отсчета. До Эйнштейна было хорошо известно, что действие сил инерции, обусловленных ускоренным движением тел, аналогично действию сил однородного поля тяготения. В результате этого с точки зрения классической механики все механические процессы в неинерциальной равноускоренной системе отсчета происходят так же, как и процессы в инерциальной системе, в которой действует соответствующее однородное поле тяготения. Например, в падающем лифте ускорение вниз полностью ликвидирует влияние тяжести внутри кабины, создавая состояние g = 0. Эйнштейн обобщил этот факт, предположив эквивалентность указанных систем отсчета не только для механических, но и для электромагнитных процессов. Это означает, что независимо от того, как движется наблюдатель, он может описать все законы природы одинаковыми математическими уравнениями. Общая теория относительности объединила теорию пространства и времени с теорией тяготения, что означало глубокий переворот в представлениях о геометрии пространства, течении времени и о строении мира в целом. 79 Эйнштейн высказал предположение революционного характера: гравитация – это не обычная сила, а следствие того, что пространство-время искривлено распределенными массами и энергией. Общая теория относительности базируется на гравитационных уравнениях, описывающих изменение гравитационного поля, и объясняет существование гравитационных взаимодействий искривлением четырехмерного пространства-времени. В общей теории относительности используется уже не привычная нам геометрия Евклида, а другие геометрии, связанные с понятиями искривления пространства под действием полей тяготения, замедления хода времени в сильных гравитационных полях. 4.5.2. Экспериментальное подтверждение общей теории относительности Создав общую теорию относительности, Эйнштейн указал на три явления, в которых его теория и теория Ньютона приводили к разным предсказаниям, и которые в случае их подтверждения, могли служить обоснованием его теории. Это были поворот орбиты Меркурия, отклонение световых лучей, проходящих вблизи Солнца и красное смещение спектральных линий света, излученного с поверхности массивных тел. Орбита Меркурия представляет собой эллипс, но сам эллипс медленно вращается. Поворот орбиты Меркурия был открыт еще в XIX в. французским астрономом У. Леверье (1811–1877) и долгое время оставался загадочным явлением, необъяснимым в рамках классической механики Ньютона. Гравитационные уравнения Эйнштейна предсказывают вращение эллиптических орбит планет. Этот эффект, объяснимый в рамках общей теории относительности, был предложен Эйнштейном для подтверждения его теории. Расчеты, проведенные для Меркурия, который, будучи ближайшей к Солнцу планетой, испытывает самое сильное действие гравитации, показали, что большая ось эллиптической орбиты должна поворачиваться вокруг Солнца примерно на один градус в десять тысяч лет. Несмотря на его малость, эффект был измерен, а расчетные результаты дали хорошее совпадение с данными измерений (1916). В наше время радиолокационным методом были измерены еще меньшие, чем у Меркурия, отклонения орбит других планет, и они согласуются с предсказаниями общей теории относительности. Экспериментальная проверка гравитационных эффектов, указанных Эйнштейном, включает в себя также проверку отклонения световых лучей, проходящих вблизи Солнца. 80 Согласно общей теории относительности, луч света должен искривляться в гравитационных полях. Для полей тяготения, доступных нашему наблюдению, такое искривление световых лучей слишком мало, чтобы проверить его экспериментально, но если такой луч будет проходить, например, вблизи Солнца, то его можно измерить. Например, луч света от далекой звезды, проходящий рядом с Солнцем, отклоняется на небольшой угол и наблюдатель, находящийся на Земле, видит эту звезду в другой точке. Вследствие обращения Земли, все новые звезды заходят за солнечный диск, и их свет отклоняется. В нормальных условиях этот эффект очень труден для наблюдения, так как яркий солнечный свет не позволяет видеть звезды, находящиеся рядом с Солнцем. Но такая возможность появляется во время солнечных затмений. В 1919 г. английская экспедиция в западной Африке, наблюдавшая солнечное затмение, показала, что свет, действительно, отклоняется Солнцем так, как предсказывает теория. Впоследствии отклонение света Солнцем было точно подтверждено целым рядом наблюдений. Искривление светового луча в поле тяготения свидетельствует, что скорость света в таком поле не может быть постоянной, а изменяется от одного места к другому (рис.3.1). Звезда Видимое положение звезды Солнце Земля Рис.3.1. Искривление луча света в гравит ационном поле Солнца. В 1923 г. был подтвержден третий эффект, указанный Эйнштейном, – наличие красного смещения в спектре Солнца. Согласно уравнениям общей теории относительности, сильные поля тяготения оказывают замедляющее действие на время. Это означает, что любой периодический процесс, такой как колебание атома или тиканье часов, на Солнце будет идти с меньшей скоростью, чем на Земле. Это должно привести к сдвигу спектра Солнца в сторону более длинных волн, что даст покраснение спектра. Это явление было впервые подтверждено в работах Сент-Джона в 1923–1926 гг. при наблюдении спектра Солнца. За- 81 тем, в 1925 г. этот эффект был подтвержден Адамсом при наблюдении спектра Сириуса, обладающего чрезвычайно большим полем тяготения. В настоящее время имеются точные измерения величины красного смещения в спектре Солнца (Бламонт, Родье, 1962), настолько близкие к данным, предсказываемым общей теорией относительности, что можно говорить о действительно хорошем подтверждении теории. 4.5.3. Философские выводы из теории относительности Специальная теория относительности была первой физической теорией, которая радикально изменила взгляды ученых на пространство, время и движение. Если раньше пространство и время рассматривались обособленно от движения материальных тел, а само движение независимо от систем отсчета, т.е. как абсолютное, то с возникновением специальной теории относительности было твердо установлено: всякое движение может описываться только по отношению к другим телам, которые могут приниматься за системы отсчета, связанные с определенной системой координат; пространство и время тесно взаимосвязаны друг с другом, ибо только совместно они определяют положение движущегося тела. Именно поэтому время в теории относительности выступает как четвертая координата для описания движения, хотя и отличная от пространственных координат; одинаковость формы законов механики для всех инерциальных систем отсчета сохраняет свою силу и для законов электродинамики, но только для этого вместо преобразований Галилея используются преобразования Лоренца; при обобщении принципа относительности и распространении его на электромагнитные процессы, постулируется постоянство скорости света, которое никак не учитывается в механике. Общая теория относительности отказывается от такого ограничения, также как и от требования рассматривать лишь инерциальные системы отсчета, как это делает специальная теория. Благодаря такому глубокому обобщению она приходит к выводу: все системы отсчета являются равноценными для описания законов природы. С философской точки зрения наиболее значительным результатом общей теории относительности является установление зависимости пространственно-временных свойств окружающего мира от расположения и движения тяготеющих масс. 82 Именно благодаря воздействию тел с большими массами происходит искривление путей движения световых лучей. Следовательно, гравитационное поле, создаваемое такими телами, определяет в конечном итоге пространственно-временные свойства мира. В специальной теории относительности абстрагируются от действия гравитационных полей и поэтому ее выводы оказываются применимыми лишь для небольших участков пространствавремени. Концепцию относительности, лежащую в основе общей и специальной физической теории, не следует смешивать с принципом относительности наших знаний, в том числе и в физике. Если первая из них касается движения физических тел по отношению к разным системам отсчета, т.е. характеризует процессы, происходящие в объективном, материальном мире, то вторая относится к росту и развитию нашего знания, т.е. касается мира субъективного, процессов изменения наших представлений об объективном мире. Преемственная связь между общей и специальной теорий относительности выражается принципом соответствия – методологическим принципом, устанавливающим связь между старыми и новыми теориями. 4.6. Симметрия пространства и времени и законы сохранения Связь между симметрией пространства и законами сохранения установила немецкий математик Эмми Нетер (1882–1935). Она сформулировала и доказала фундаментальную теорему математической физики, названную ее именем, из которой следует, что из однородности пространства и времени вытекают законы сохранения соответственно импульса и энергии, а из изотропности пространства – закон сохранения момента импульса. Эта теорема выражает принцип инвариантности относительно сдвигов в пространстве и во времени, т.е. параллельных переносов начала координат, и начала отсчета времени: смещение во времени и в пространстве не влияет на протекание физических процессов. Указанный принцип является следствием однородности пространства и времени: однородность пространства заключается в том, что при параллельном переносе в пространстве замкнутой системы тел как целого ее физические свойства и законы движения не изменяются, иными словами, не зависят от выбора положения начала координат инерциальной системы отсчета. однородность времени означает инвариантность физических законов относительно выбора начала отсчета времени. Например, при свободном падении тела в поле силы тяжести его скорость и пройденный путь зависят лишь от начальной скорости и про- 83 должительности свободного падения тела и не зависят от того, когда тело начало падать. С однородностью пространства связан закон сохранения импульса: импульс замкнутой системы сохраняется, т. е. не изменяется с течением времени. Закон сохранения импульса справедлив не только в классической физике, хотя он и получен как следствие законов Ньютона. Эксперименты доказывают, что он выполняется и для замкнутых систем микрочастиц, подчиняющихся законам квантовой механики. Импульс сохраняется и для незамкнутой системы, если геометрическая сумма всех внешних сила равна нулю. Закон сохранения импульса носит универсальный характер и является фундаментальным законом природы. С однородностью времени связан закон сохранения механической энергии: в системе тел, между которыми действуют только консервативные силы, полная механическая энергия сохраняется, т.е. не изменяется со временем. Консервативные силы действуют только в потенциальных полях, характеризующихся тем, что работа, совершаемая действующими силами при перемещении тела из одного положения в другое, не зависит от того, по какой траектории это перемещение произошло, а зависит только от начального и конечного положений. Если же работа, совершаемая силой, зависит от траектории перемещения тела из одной точки в другую, то такая сила называется диссипативной; например, сила трения. Механические системы, на тела которых действуют только консервативные силы (внутренние и внешние), называются консервативными системами. Закон сохранения механической энергии можно сформулировать еще и так: в консервативных системах полная механическая энергия сохраняется. В консервативных системах могут происходить лишь превращения кинетической энергии в потенциальную энергию и обратно в эквивалентных количествах. В диссипативных системах механическая энергия постепенно уменьшается из-за преобразования ее в другие (немеханические) формы энергии. Этот процесс называется диссипацией, или рассеянием энергии. В системе, в которой действуют консервативные и диссипативные силы, например силы трения, полная механическая энергия системы не сохраняется. Следовательно, для такой системы закон сохранения механической энергии не выполняется. Однако при убывании механической энергии всегда возникает эквивалентное количество энергии другого вида. Таким образом, энергия никогда не исчезает и не появляется вновь, она лишь превращается из одного вида в другой. В этом заключается физическая сущность закона сохранения и 84 превращения энергии, сущность неуничтожения материи и ее движения, поскольку энергия – универсальная мера различных форм движения и взаимодействия. Закон сохранения энергии – результат обобщения многих экспериментальных данных. Как мы уже говорили, идея этого закона принадлежит М.В. Ломоносову, изложившему закон сохранения материи и движения, а количественная его формулировка дана немецкими учеными Ю. Майером и Г. Гельмгольцем. Обратимся еще к одному свойству симметрии пространства – его изотропности. Изотропность пространства означает инвариантность физических законов относительно выбора направлений осей координат системы отсчета (относительно поворота замкнутой системы в пространстве на любой угол). Из изотропности пространства следует фундаментальный закон природы – закон сохранения момента импульса: момент импульса замкнутой системы сохраняется, т. е. не изменяется с течением времени. Выявление различных симметрий в природе, а иногда и постулирование их стало одним из методов теоретического исследования свойств микро- , макро- и мегамира. Возросла в связи с этим роль весьма сложного и абстрактного математического аппарата – теории групп – наиболее адекватного и точного языка для описания симметрии. 4.7. Мегамир в его многообразии и единстве Вселенная – это весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития. Часть Вселенной, охваченная астрономическими наблюдениями, называется Метагалактикой. Размеры Метагалактики очень велики: радиус космологического горизонта составляет 15–20 млрд. световых лет. Строение и эволюция Вселенной изучаются космологией. Предмет космологии – весь окружающий нас мегамир, а ее задача состоит в описании наиболее общих свойств, строения и эволюции Вселенной. Космология – это раздел естествознания, находящийся на стыке наук, использующий достижения и методы астрономии, физики, математики, философии. Выводы космологии имеют большое мировоззренческое значение. Современная астрономия не только открыла грандиозный мир галактик, но и обнаружила уникальные явления, свидетельствующие о том, что Вселенная непрерывно развивается. 85 4.7.1. Галактики и структура Вселенной Галактики – это скопления звезд, связанных вместе гравитационным притяжением. Астрономы разделяют галактики на спиральные, эллиптические, и неправильной формы. Наше Солнце входит в спиральную Галактику (пишется с большой буквы, в отличие от всех прочих галактик с маленькой буквы), называемую Млечным путем и являющуюся лишь одной из сотен миллиардов галактик, которые можно увидеть с помощью современных телескопов; каждая галактика состоит из сотен миллиардов звезд. Звезды и туманности в пределах Галактики движутся довольно сложным образом. Прежде всего, они участвуют во вращении Галактики вокруг оси, перпендикулярной ее экваториальной плоскости. Различные участки Галактики имеют различные периоды обращения. Звезды удалены друг от друга на огромные расстояния и тем самым практически изолированы друг от друга. Это означает, что звезды практически не сталкиваются друг с другом, хотя движение каждой из них определяется полем силы тяготения, создаваемым всеми звездами Галактики. Из расчетов следует ожидать одно столкновение в каждый миллион лет, в то время как в "нормальных" областях Галактики за всю историю эволюции нашей звездной системы, насчитывающую, по крайней мере, 10 млрд. лет, столкновений между звездами практически не было. Число звезд в Галактике порядка триллиона. Самые многочисленные из них – карлики, массы которых примерно в 10 раз меньше массы Солнца. Кроме одиночных звезд и их спутников (планет), в состав Галактики входят двойные и кратные звезды, а также группы звезд, связанных силами тяготения и движущиеся в пространстве как единое целое, – звездные скопления. Существуют рассеянные звездные скопления, например Плеяды в созвездии Тельца. Такие скопления не имеют правильной формы; в настоящее время их известно более тысячи. Наблюдаются шаровые звездные скопления, например, в созвездии Геркулеса. Если в рассеянных скоплениях содержатся сотни или тысячи звезд, то в шаровых их сотни тысяч. Силы тяготения удерживают звезды в таких скоплениях миллиарды лет. В настоящее время известно около 150 шаровых скоплений. В различных созвездиях обнаруживаются туманные пятна, которые состоят в основном из газа и пыли, – это туманности, они тоже входят в состав нашей Галактики. Туманности неправильной, клочковатой формы называют диффузными, а те, которые, имеют правильную форму и напоминают по виду планеты, – планетарными. 86 Существуют еще светлые диффузные туманности, например, большая газопылевая туманность в созвездии Ориона. Интересна небольшая диффузная туманность, названная Крабовидной за свою необычную сетку из ажурных газовых волокон. Это источник не только оптического излучения, но и радиоизлучения, рентгеновских и гамма-квантов. В центре Крабовидной туманности находится источник импульсного электромагнитного излучения – пульсар, у которого впервые были обнаружены наряду с пульсациями радиоизлучения оптические пульсации блеска и пульсации рентгеновского излучения. Пульсар, обладающий мощным переменным магнитным полем, ускоряет электроны и вызывает свечение туманности в различных участках спектра электромагнитных волн. Но даже там, где не видно ни звезд, ни туманностей, пространство не пусто. Оно заполнено очень разреженным межзвездным газом и межзвездной пылью. В межзвездном пространстве существуют и различные поля (гравитационное и магнитное). Пронизывают межзвездное пространство и космические лучи, представляющие собой потоки электрически заряженных частиц, которые при движении в магнитных полях разогнались до скоростей, близких к скорости света, и приобрели огромную энергию. В начале ХХ в. было доказано, что некоторые туманные пятна, видимые в телескоп на разных участках неба, находятся вне нашей Галактики и представляют собой другие галактики, каждая из которых, подобно нашей, состоит из многих миллиардов звезд. Мир галактик поражает своим разнообразием. Галактики резко различаются размерами, числом входящих в них звезд, светимостями, внешним видом. Их обозначают номерами, под которыми вносят в каталоги. Как уже упоминалось, по внешнему виду галактики условно разделяются на три типа: эллиптические, спиральные и неправильные. Пространственная форма эллиптических галактик – эллипсоиды с разной степенью сжатия. Среди них встречаются гигантские и карликовые. Почти четверть всех изученных галактик относится к эллиптическим. Это наиболее простые по структуре галактики. Распределение звезд в них равномерно убывает от центра, пыли и газа почти нет. В них самые яркие звезды – красные гиганты. Спиральные галактики – самый многочисленный вид. К нему относятся, например, наша Галактика и Туманность Андромеды, удаленная от нас примерно на 2,5 млн. световых лет. Неправильные галактики не имеют центральных ядер, в их строении пока не обнаружены закономерности. Это Большое и Малое Магеллановы облака, являющиеся спутниками нашей Галактики. Они находятся сравнительно недалеко от нас, на расстоянии, всего лишь 87 в полтора раза большем диаметра Галактики. Магеллановы облака значительно меньше нашей Галактики по массе и размерам. Существуют и взаимодействующие галактики. Они обычно находятся на небольших расстояниях друг от друга, связаны "мостами" из светящейся материи, иногда как бы пронизывают одна другую. Некоторые галактики обладают исключительно мощным радиоизлучением, превосходящим видимое излучение. Это радиогалактики. Например, галактика Лебедь А. В отличие от нашей и других "нормальных" галактик, Лебедь А излучает в радиодиапазоне энергии больше, чем в оптическом диапазоне. Радиоизлучение межзвездной среды вызвано различными причинами. Радиоволны излучает находящийся в межзвездном пространстве ионизированный горячий газ. Нагрев и ионизацию газа (преимущественно водорода) вызывают горячие звезды и космические лучи. Другой источник радиоизлучения – нейтральный водород, которого в межзвездном пространстве значительно больше, чем ионизированного. С 1963 г. начались открытия звездоподобных источников радиоизлучения – квазаров. Сейчас их открыто более тысячи. Самый яркий квазар (обозначаемый как ЗС 273) виден как звезда. Этот квазар, находящийся от нас на расстоянии около 3 млрд. световых лет, излучает больше энергии в оптическом диапазоне, чем самые яркие галактики. Кроме того, этот квазар оказался одним из самых мощных источников рентгеновского излучения. Мир галактик очень разнообразен: он далеко не исчерпывается спиральными, эллиптическими и неправильными галактиками. Некоторым галактикам свойственны различные проявления активности, включая взрывные процессы в ядрах галактик. Мы еще далеко не все знаем о Метагалактике – охваченной астрономическими наблюдениями части Вселенной. Огромная удаленность объектов создает совершенно специфические трудности, которые разрешаются в результате применения самых мощных средств наблюдения в сочетании с глубокими теоретическими исследованиями. 4.7.2. Солнечная система Жесткой границы, разделяющей микро- , макро- и микромиры, не существует. При несомненном качественном различии они связаны конкретными процессами взаимопереходов. Наша Земля представляет макромир. Но в качестве одной из планет Солнечной системы она одновременно выступает и как элемент мегамира. 88 В Солнечную систему входят 9 планет, их спутники, свыше 100 тыс. астероидов, множество комет и метеоритных тел. Расстояние от Солнца до наиболее удаленной планеты Плутона 6 млрд. км. Различают планеты земной группы и планеты-гиганты. Планеты земной группы – Меркурий, Венера, Земля, Марс – сравнительно невелики и состоят из плотного вещества. Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон относятся к гигантам, они гораздо массивнее, но в их состав входят легкие вещества и поэтому их плотность меньше. В отличие от атмосферы планет земной группы, четко отделенных от твердой поверхности, атмосферные газы планет-гигантов постепенно переходят в конденсированное состояние, в “тело” самих планет. У них нет привычной нам твердой или жидкой поверхности. Входящие в Солнечную систему астероиды представляют собой малые планеты. Хотя их много, но суммарная их масса оказывается меньше 0,001 массы Земли. Самый крупный астероид – планета Церера – имеет поперечник около 1000 км. Сталкиваясь друг с другом, астероиды дробятся на метеориты. Своеобразными объектами Солнечной системы являются кометы. Они состоят из головы, небольшого плотного ядра и хвоста длиной в десятки миллионов километров. Ядра комет имеют размеры в несколько километров и состоят из каменных и металлических образований, заключенных в ледяную оболочку из замерзших газов. Кометы обычно –это самые дальние объекты Солнечной системы. Некоторые из них удаляются от Солнца на 10 000 млрд. км – на расстояние одного светового года, т.е. расстояние, которое свет со скоростью 30 0000 км/с проходит за один год (1 световой год = 10 000 млрд. км = 1013 км). Считается, что на этом удалении от Солнца и проходит граница Солнечной системы. Далее начинается сфера влияния других звезд. Для сравнения: свет от Солнца до Земли доходит за 8 мин, а от второй по близости к нам звезды (Проксима Центавра) свет идет к Земле более четырех лет. Эта звезда находится от нас в 100 000 раз дальше, чем Солнце. 4.7.3. Концепция расширения Вселенной Современная космология возникла в начале ХХ в. Важное значение для развития космологии имело создание общей теории относительности. Первым попробовал применить эту теорию к объяснению строения мира сам Эйнштейн (1917). Введя в гравитационные уравнения произвольную космологическую постоянную, он получил модель статической, т.е. неизменной во времени Вселенной с конечным радиусом. В 1920–1922 гг. советским ученым Фридманом было предложено иное решение гравитационных уравнений Эйнштейна, при котором необходимость в космологической постоянной отпадала. Согласно Фридману, 89 Вселенная нестационарна, т.е. изменяется во времени. Как один их возможных вариантов нестационарности рассматривалось расширение, при котором галактики удаляются друг от друга. Существуют три модели, для которых справедливо решение гравитационных уравнений, полученных Фридманом: 1 – Вселенная расширятся достаточно медленно, так что в силу гравитационного притяжения происходит замедление и прекращение расширения, заменяющееся сжатием; 2 – расширение Вселенной происходит так быстро, что гравитационное притяжение не может его остановить; 3 – скорость расширения Вселенной мала, ее достаточно только для того, чтобы избежать сжатия до нуля (коллапса). Созданию современной картины Вселенной во многом способствовали исследования американского астронома Э. Хаббла (1889–1953), показавшего в 1924 г., что наша Галактика не единственная, а существует множество других галактик, разделенных огромными областями пустого пространства. Доказав существование других галактик, Хаббл все последующие годы посвятил составлению каталогов расстояний до этих галактик и наблюдению их спектров. В 1929 г. Хаббл установил, что свет, идущий от далеких галактик, смещается в красную сторону спектра. Это явление, известное как красное смещение, согласно эффекту Доплела, свидетельствовало об удалении галактик от наблюдателя. Хаббл обнаружил также, что величина красного смещения не случайна, а прямо пропорциональна расстоянию от нас до галактики. Таким образом, было установлено, что Вселенная не является статической, а расширяется. Открытие Хаббла подтвердило правильность выводов Фридмана о расширении Вселенной. Открытие расширения Вселенной было одним из великих интеллектуальных переворотов XX в. Модели Фридмана явились основой всего последующего развития космологии. Они описывают механическую картину движения огромных масс Вселенной и ее глобальную структуру и являются по своей сути эволюционными, связывающими сегодняшнее состояние Вселенной с ее предыдущей историей. В частности, из этой теории следует, что в далеком прошлом Вселенная была совсем не похожа на наблюдаемую нами сегодня. Тогда не было ни отдельных небесных тел, ни их систем, все вещество было почти однородным, очень плотным, быстро расширялось. Только значительно позже из такого вещества возникли галактики и их скопления. 90 Открытие расширения Метагалактики свидетельствует о том, что в прошлом она была не такой, как сейчас, и иной станет в будущем, т.е. Метагалактика развивается. Начиная с конца 40-х годов нашего века, все большее внимание в космологии привлекает физика процессов на разных этапах космологического расширения. В выдвинутой в это время Г.А. Гамовым (1904–1968) теории горячей Вселенной рассматривались ядерные реакции, протекавшие в самом начале расширения Вселенной в очень плотном веществе. При этом предполагалось, что температура вещества была велика и падала с расширением Вселенной. Теория предсказывала, что вещество, из которого формировались первые звезды и галактики, должно состоять в основном из водорода (75%) и гелия (25%), примесь других химических элементов незначительна. Другой вывод теории – в сегодняшней Вселенной должно существовать слабое электромагнитное излучение, оставшееся от эпохи большой плотности и высокой температуры вещества. Такое излучение в ходе расширения Вселенной было названо реликтовым излучением. К тому времени появились принципиально новые наблюдательные возможности в космологии: возникла радиоастрономия, расширились возможности оптической астрономии. Сейчас Вселенная вплоть до расстояний в несколько парсек исследуется разными методами. В 1965 г. экспериментально наблюдалось реликтовое излучение. Это открытие подтвердило справедливость теории горячей Вселенной. 4.7.4. Эволюция Вселенной Современный этап в развитии космологии характеризуется интенсивным исследованием проблемы начала космологического расширения, когда плотности материи и энергии частиц были огромными. Руководящими идеями являются новые открытия в физике взаимодействия элементарных частиц при очень больших энергиях. При этом рассматривается глобальная эволюция Вселенной. Сегодня эволюция Вселенной всесторонне обосновывается многочисленными астрофизическими наблюдениями, имеющими под собой прочный теоретический базис всей физики. Эволюцию претерпевают все космические объекты – звезды, планеты, галактики. Сейчас известно, что обычные звезды в ходе претерпеваемых изменений превращаются в так называемые “белые карлики”, “нейтронные звезды” и “черные дыры”. Что такое “белый карлик”? Это электронная постзвезда, образующаяся в том случае, когда звезда на последней стадии своей эволюции имеет массу, меньшую 1,2 солнечной массы. Превращение происходит путем медленного сжатия звезды, которая продолжает све91 тить уже не за счет ядерных реакций, а в результате освобождающейся в процессе сжатия гравитационной энергии. Диаметр “белого карлика” равен диаметру нашей Земли, температура достигает около миллиарда градусов, а плотность – 10 т/см3 – в сотни тысяч раз больше земной плотности. Такую плотность можно получить, утрамбовав грузовой автомобиль в объем наперстка. В течение 1 млрд. лет “белый карлик” медленно остывает, превращаясь в “черный карлик” – ничего не излучающую “мертвую” звезду. Нейтронные звезды возникают на заключительной стадии эволюции звезд, обладающих массой от 1,2 до 2 солнечных масс. В этом случае на предконечном этапе происходит очень быстрое сжатие звезды, в ходе которого в наружных ее слоях начинается бурный процесс ядерных реакций, в которые вступают остатки ядерного вещества звезды. При этом выделяется так много энергии, что происходит взрыв с разбросом наружного слоя звезды. Внутренние же ее области стремительно сжимаются. Остаток звезды уменьшается до размеров в 20 – 30 км, а средняя ее плотность возрастает до 100 млн. т/см3, что, используя прежнее сравнение, равнозначно утрамбовке в наперсток миллиона грузовых автомобилей. Образующийся объект и получил название “нейтронная звезда”. Она состоит из протонов и нейтронов, силы гравитации разрушили в ней сложные ядра и вещество снова стало состоять из отдельных элементарных частиц. Открытые в 1967 г. пульсары (источники пульсирующего, периодически изменяющегося импульсного излучения) как раз и являются намагниченными вращающимися нейтронными звездами. В случае же, если масса постзвезды (звезды на заключительной стадии своего существования) превысит 2 солнечные массы, она должна превратиться в "черную дыру" с радиусом 5–10 км. Черные дыры имеют и другие названия: “застывшая звезда”, “гравитационная могила”, “коллапсар” и т.д. Пространство черной дыры как бы “вырвано” из пространства Метагалактики. Если вырезать в листе бумаги дыру, то это даст наглядную двумерную аналогию черной дыры в трехмерном пространстве. Вещество и излучение проваливаются в нее и не могут выйти обратно. Раньше “черные дыры” считались ненаблюдаемыми. Теперь же наука располагает фактами, которые достаточно убедительно свидетельствуют об их существовании. Они отождествляются с источниками сильного рентгеновского излучения. Высказаны предположения о существовании первичных, реликтовых “мини-черных дыр”, образовавшихся на раннем этапе развития Вселенной. Реликтовые черные дыры вызывают исключительный интерес, поскольку в них органически объединяются микро- и макромасштабы. Теоретиче- 92 ские расчеты показывают, что обладая гигантской массой 1015 г, они должны иметь микроскопический размер до 10-13 см. 4.7.5. Концепция большого взрыва Открытие расширения Вселенной поставило перед наукой вопрос о возникновении Вселенной, одним из возможных вариантом решения которого явилась концепция Большoго Взрыва. Концепция Большого Взрыва – распространенное в настоящее время представление о происхождении Вселенной, согласно которому Вселенная возникла в результате Большого Взрыва, который с позиций общей теории относительности трактуется как точка пространства-времени с бесконечной кривизной. Концепция Большого Взрыва подтверждена математическим доказательством существования точки Большого Взрыва, проведенным известными физиками-теоретиками нашего времени Д. Пенроузом и С. Хокингом в 1970 г. на основе гравитационных уравнений общей теории относительности. Все варианты модели Фридмана расширения Вселенной имеют то общее, что в какой-то момент времени в прошлом расстояние между соседними галактиками должно было равняться нулю, т.е. независимо от его природы, расширение должно было начаться в некоторый момент времени, когда плотность вещества была бесконечно большой. Эта особая точка в математике называется сингулярностью и интерпретируется как Большой Взрыв. Существование этой точки составляет содержание теоремы о сингулярности, доказанной Пенроузом и Хокингом. Из их доказательства следует также, что общая теория относительности представляет собой неполную теорию, в ней нет ответа на вопрос, как возникла Вселенная, потому что в точке Большого Взрыва нарушаются все физические теории, в том числе и общая теория относительности. Ответ на этот вопрос должна дать квантовая теория гравитации, учитывающая мелкомасштабные эффекты на ранней стадии развития Вселенной. В настоящее время последовательной теории квантовой гравитации пока еще нет. На качественном уровне концепцию Большого Взрыва можно пояснить следующим образом. Около 20 млрд. лет тому назад все галактики, судя по всему, были сосредоточены в одной точке, из которой началось стремительное расширение Вселенной до современных размеров. Но где же находится эта точка? Ответ: нигде и в то же время повсюду; указать ее местоположение невозможно, это противоречило бы основному принципу космологии. Еще одно сравнение, возможно, поможет понять это утверждение. Согласно общей теории 93 относительности, присутствие вещества в пространстве приводит к его искривлению. При наличии достаточного количества вещества можно построить модель искривленного пространства. Передвигаясь по земле в одном направлении, мы в конце концов, пройдя 40000 км, должны вернуться в исходную точку. В искривленной Вселенной случится то же самое, но спустя 40 млрд. световых лет. Итак, Вселенная напоминает надувной шарик, на котором нарисованы галактики и, как на глобусе, нанесены параллели и меридианы для определения положения точек; но в случае Вселенной для определения положения галактик необходимо использовать не два, а три измерения. Расширение Вселенной напоминает процесс надувания этого шарика: взаимное расположение различных объектов на его поверхности не меняется, на шарике нет выделенных точек. Чтобы оценить полное количество вещества во Вселенной, нужно просто подсчитать все галактики вокруг нас. Поступая таким образом, мы получим вещества меньше, чем необходимо, чтобы, согласно Эйнштейну, замкнуть "воздушный шарик" Вселенной. Существуют модели открытой Вселенной, математическая трактовка которых столь же проста и которые объясняют нехватку вещества. С другой стороны, может оказаться, что во Вселенной имеется не только вещество в виде галактик, но и невидимое вещество в количестве, необходимом, чтобы Вселенная была замкнута; полемика по этому поводу до сих пор не затихает. Спустя миллиард лет после Большого Взрыва началось образование галактик. К этому моменту вещество уже успело охладиться, и стали появляться стабильные флуктуации плотности среди облаков газа, равномерно заполнявших космос. Локальное увеличение плотности вещества оказывается стабильным, если плотность достаточно велика, так как в этом случае создается локальное гравитационное поле, способствующее сохранению вещества в сжатом виде. Продолжая сжиматься и теряя при этом энергию на излучение, уплотнившееся вещество в результате своей эволюции превращалось в современные галактики. Хотя в общих чертах ясно, что тогда происходило, но механизм образования галактик все же понят не до конца и противоречит аккуратным подсчетам наблюдаемых масс галактик и их скоплений. 4.8. Принципы организации микромира Понятия и принципы классической физики оказались неприменимыми к исследованию физических свойств мельчайших частиц материи или микрообъектов, таких как электроны, протоны, нейтроны, атомы и подобные им объекты, которые образуют невидимый нами 94 микромир, и поэтому свойства объектов этого мира совершенно не похожи на свойства объектов привычного нам макромира и далекого мегамира (планеты, звезды, кометы, квазары и другие небесные тела). Открытие сложного строения атома и попытки создания адекватных моделей для его описания привели к необходимости отказа от привычных представлений, которые навязаны нам предметами и явлениями окружающего нас макромира. Поиски новых понятий и методов описания микрообъектов способствовали возникновению квантовой механики, созданной трудами многих выдающихся ученых, прежде всего – Л. де Бройля (1892–1987), Э. Шредингера (1887–1961), В. Гейзенберга (1901–1976), М. Борна (1882–1970). Квантовая механика является областью физики, возникшей в связи с необходимостью разработки нового подхода к явлениям микромира, необъяснимым с позиций механики Ньютона. В основе квантовой механики лежат представления Планка, согласно которым излучение энергии веществом происходит малыми порциями – квантами с энергией, пропорциональной частоте испускаемого излучения, гипотеза де Бройля о волновых свойствах частиц вещества, соотношение неопределенностей Гейзенберга. В квантовой механике вводится понятие волновой функции , определяющей вероятность нахождения микрочастицы в данном месте пространства в данное время. Основным уравнением квантовой механики является уравнение Шредингера, определяющее вид функции . 4.8.1. Развитие концепции атомизма Представление об атомах как неделимых частицах вещества возникло в глубокой древности. Атомистическое учение появилось в античной Греции в V в. до нашей эры в рамках натурфилософии и было представлено выдающимися философами древности – Эмпедоклом, Демокритом, Эпикуром, учившими, что мир состоит из пустоты и атомов, а различные комбинации атомов образуют видимые тела. Эта гипотеза являлась лишь гениальной догадкой, но, тем не менее, она определила на многие столетия вперед все дальнейшее развитие естествознания. В средние века учение об атомах, будучи материалистическим учением, не получило признания. Лишь к началу XVIII в., в естествознании и, прежде всего, в физике и химии, возвращаются к идеям атомистики для объяснения эмпирических законов идеальных газов и теплового расширения тел. В работах выдающегося французского химика А. Лавуазье (1743–1794), великого русского ученого М.В. Ломоносова (1711–1765) и английского химика и физика Д. Дальтона (1766–1844) была доказана реальность атомистического подхода к объяснению естественнонаучных законов. Однако в это время вопрос 95 о внутреннем строении атома даже не возникал, так как атомы считались неделимыми. Вплоть до конца прошлого столетия большинство ученых рассматривало атом как последнюю неделимую частицу вещества, но крупнейшие открытия в физике привели к отказу от такой точки зрения. Открытие Д.И. Менделеевым (1834–1907) в 1869 г. периодического закона подтолкнуло ученых к выводу о существовании более мелких частиц, свойства которых обусловливают свойства атомов, в том числе и периодический закон их взаимосвязи и явилось одним из руководящих положений, использованных при создании теории строения атома. Среди открытий, показавших сложность строения атома, следует отметить, во-первых, обнаружение явлений естественной радиоактивности таких химических элементов, как радий и уран. Оказалось, что эти элементы в естественных условиях испускают специфические, радиоактивные лучи и в результате превращаются в другие более легкие химические элементы. Вслед за радиоактивностью последовало открытие электрона в 1897 г. английским физиком Дж. Томсоном (1856–1940), показавшее, что существуют частицы еще более мелкие, чем атомы, и, по-видимому, являющиеся составной частью атома. (По современным воззрениям электрон обладает наименьшим электрическим зарядом, т.е. является мельчайшей частицей электричества). Изучение строения атома практически началось в 1897–1898 гг., после того, как были определены величина и масса электрона. Томсон предложил первую модель строения атома, согласно которой атом – это сгусток материи, обладающий положительным электрическим зарядом, в который вкраплено столько электронов, что в целом атом является электронейтральным. В этой модели предполагалось, что под влияние внешних воздействий электроны могли совершать колебания, т.е. двигаться ускоренно. Казалось бы, это позволяло ответить на вопросы об излучении света атомами вещества и гамма-лучей атомами радиоактивного веществ. Слабым местом модели атома Томсона было то, что в ней не предполагалось положительно заряженных частиц внутри атома и, следовательно, открытым оставался вопрос об испускании положительно заряженных альфа-частиц радиоактивными веществами. Модель Томсона не давала ответа и на ряд других вопросов. Положительно заряженная часть атома была открыта в 1911 г. английским физиком Э. Резерфордом (1871–1937) при исследовании движения альфа-частиц в газах и других веществах. Альфа-частицы, выбрасываемые атомами радиоактивных элементов, представляют собой положительно заряженные ионы гелия, способные ионизировать воздух. При движении с огромной скоростью порядка 20000 км/с альфа-частицы выбивают из молекул, 96 входящих в состав воздуха, электроны, которые присоединяются к другим молекулам, заряжая их отрицательно. Молекулы, потерявшие электроны, становятся положительно заряженными. Способность альфа-частиц ионизировать воздух была использована английским физиком Ч. Вильсоном, чтобы сделать видимым пути движения отдельных частиц и сфотографировать их. (Впоследствии прибор для фотографирования альфа-частиц был назван камерой Вильсона). Тщательное исследование траекторий альфа-частиц обнаружило их рассеяние – отклонение от их первоначального пути. Причем, некоторые частицы отбрасываются назад, так как если бы на их пути бала частица, с массой того же порядка и положительным зарядом. Исходя из этих данных, Резерфорд предложил планетарную модель строения атома: в центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого по разным орбитам вращаются электроны, суммарный заряд которых уравновешивает заряд ядра. Так, если масса электрона ничтожно мала, то почти вся масса атома сосредоточена в его ядре. Размеры ядра и электронов чрезвычайно малы по сравнению с размерами всего атома, которые определяются орбитами наиболее удаленных от ядра электронов. Поэтому большинство альфа-частиц пролетает через атом без заметных отклонений и только в тех случаях, когда альфа-частица близко подходит к ядру, она отталкивается от него, резко меняя свою первоначальную траекторию. Таким образом, рассеяние альфа-частиц положило начало развитию представлений об атомном ядре. 4.8.2. Теория атома Бора – мост от классики к современности Планетарная Модель атома Резерфорда объясняла опыты по рассеянию альфа-частиц, но испытывала принципиальные трудности при обосновании устойчивости атома. Согласно принципам классической механики Ньютона, движение по окружности даже с постоянной по величине скоростью обладает ускорением, связанным с изменением направления вектора скорости. Ускоренно движущийся заряд должен, согласно классической электродинамике, непрерывно излучать электромагнитные волны. Процесс излучения сопровождается потерей энергии, так что электрон должен двигаться по спирали и в конечном счете упасть на ядро. Однако опыт показывает, что атомы – очень устойчивые образования. Отсюда вытекает, что модель Резерфорда в сочетании с классической механикой и электродинамикой оказалась не способной объяснить устойчивость атома, а также его дискретный характер атомных спектров излучения. 97 Первая попытка построить качественно новую квантовую теорию атома была предпринята в 1913 г. датским физиком Н. Бором (1885–1962). В основу своей теории атома Бор положил следующие постулаты. Первый постулат Бора утверждает, что в атоме существуют стационарные состояния, в которых он не излучает энергии. Стационарным состояниям атома соответствуют стационарные орбиты, по которым движутся электроны. Движение электронов по стационарным орбитам, не смотря на ускоренный характер движения, не сопровождается излучением электромагнитных волн. Второй постулат Бора утверждает, что излучение испускается или поглощается в виде светового кванта энергии h при переходе электрона из одного стационарного состоя- ния в другое. Величина светового кванта равна разности энергий тех стационарных состояний, между которыми совершается квантовый скачок электрона: h = E n – E m ,, где En и Em – соответственно энергии стационарных состояний атома до и после из- лучения (поглощения). Набор возможных дискретных частот определяется соотношением = (E n – E m )/ h и отвечает линейчатому спектру атома. Теория Бора блестяще объяснила экспериментально наблюдаемый спектр водорода. Успехи теории атома водорода были получены ценой отказа от фундаментальных положений классической механики, которая, на протяжении более 200 лет, оставалась безусловно справедливой. Поэтому в первое время многие ученые считали, что новые революционные открытия не только подрывают материалистический взгляд на природу, но и отрицают объективное содержание физической науки. Все это породило кризис в физике, выход из которого следовало искать в переходе от старых понятий и принципов классической физики, оказавшихся неадекватными для изучения свойств материи на атомном уровне, к новым теориям и принципам, которые бы верно отражали эти свойства и закономерности. Такой новой фундаментальной наукой стала квантовая механика, которая ввела совершенно неизвестные для классической физики принципы дуализма волна – частица, неопределенности, дополнительности, а вместо универсальных законов классической физики – статистические законы и вероятностные методы исследования. 98 4.8.3. Корпускулярно-волновые свойства микрочастиц В классической физике вплоть до второй половины XIX в. под материей обычно понималось вещество. Электродинамикой Максвелла положено основание физическому учению о поле как особой форме материи. Но вещество и поле рассматривались отделенными друг от друга. Квантовая механика впервые позволила установить связь вещества и поля. Французский ученый Луи де Бройль, развивая представления о двойственной корпускулярно-волновой природе света, выдвинул в 1923 г. гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Он утверждал, что не только фотоны, но и электроны и другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают волновыми свойствами. Согласно де Бройлю, с каждым микрообъектом сопоставляются, с одной стороны, корпускулярные характеристики – энергия характеристики – частота v E и импульс и длина волны p , а с другой стороны – волновые .Формулы, связывающие волновые и свойства частиц, такие же, как и для фотонов: E=ћ ; p=2 ћ/ , где ћ – постоянная Планка. Смелость гипотезы де Бройля заключалась именно в том, что приведенные формулы постулировались не только для фотонов, но и для других микрочастиц, в частности, для таких, которые обладают массой покоя. Таким образом, с любой частицей, обладающей импульсом стицы, p = mv (v– скорость ча- m– ее масса), сопоставляется волновой процесс с длиной волны, определяемой формулой де Бройля: = 2 ћ / p. Эта формула справедлива для любой частицы с импульсом p=mv (рис.3.2): = h/mv m v Рис.3.2 . Волновые свойства микрочастицы. Вскоре гипотеза де Бройля была подтверждена экспериментально американскими физиками Л. Джермером (1896–1971) и К. Дэвиссоном (1881–1958), которые обнаружили дифракцию электронов. Впоследствии дифракционные явления были обнаружены также для нейтронов, атомных и молекулярных пучков. Это окончательно послужило доказательством наличия волновых свойств микрочастиц и позволило описывать их движение в виде 99 волнового процесса, характеризующегося определенной длиной волны, рассчитываемой по формуле де Бройля. Рис. 3.3. Дифракция электронов. В квантовой механике корпускулярные и волновые понятия теряют свою “классическую” независимость. Движение микрообъектов лишь приближенно может трактоваться в одних случаях - как движение "классических" частиц, а в других случаях как распространение “классических” волн. Поэтому при описании явлений атомного масштаба нельзя отвлекаться от тех физических условий, в которых они наблюдаются. Квантовым величинам присущ характер относительности к средствам наблюдения, что и делает их отличными от классических величин, которые безотносительны к средствам наблюдения. Понятие и термин "относительность к средствам наблюдения" ввел впервые наш соотечественник академик В.А. Фок. Таким образом, дуализм микрообъектов, заключающийся в объединении в одном микрообъекте одновременно волновых и корпускулярных свойств, представляет собой фундаментальную характеристику объектов микромира. 4.8.4. Принцип неопределенности В классической механике всякая частица движется по определенной траектории, так, что в любой момент времени точно фиксирована ее координата и импульс. Микрочастицы изза наличия у них волновых свойств существенно отличаются от классических частиц. Одно из основных различий заключается в том, что нельзя говорить о движении микрочастицы по определенной траектории, т.е. об одновременном задании ее координаты и импульса, значения которых определяют траекторию. Движение по определенной траектории несовместимо с волновыми свойствами, что становится совершенно очевидным, если проанализировать существо опытов по дифракции. Степень точности, с которой к частице может быть применено представление об определенном положении ее в пространстве, дается соотношением неопределенностей, установ100 ленным немецким физиком В. Гейзенбергом. Согласно этому соотношению частица не может иметь одновременно вполне точные значения координаты x и соответствующего этой координате импульса p, причем неопределенности в значениях этих величин удовлетворяют условию: · h. Микрочастица с определенным импульсом имеет полностью неопределенную координату. И наоборот, если микрочастица находится в состоянии с точным значением координаты, то ее импульс является полностью неопределенным. Чем точнее определена одна из величин x или p , тем больше становится неопределенность другой. Соотношение неопределенностей, отражая специфику микрочастиц, позволяет оценить, в какой времени можно применять понятия классической механики к микрочастицам, в частности, с какой степенью точности можно говорить о траекториях микрочастиц. Невозможность одновременно точно определить координату, и соответствующую ей составляющую импульса, не связана с несовершенством методов измерения или измерительных приборов. Это следствие специфики микрообъектов, отражающей особенности их объективных свойств, их двойственной корпускулярно-волновой природы. Соотношение неопределенностей неоднократно являлось предметом философских дискуссий, приводивших некоторых философов к его идеалистическому истолкованию. Невозможность одновременного определения координаты и импульса использовалась для установления границ познаваемости мира. На самом деле соотношение неопределенностей не ставит какого-либо предела познанию микромира, а только указывает, насколько применимы к нему понятия классической механики. Так, В. Гейзенберг выдвинул принцип “неконтролируемого взаимодействия” частицы с прибором. Неопределенность в значении импульса и координаты, якобы, обусловлена тем, что взаимодействие частицы и прибора может быть познано лишь до некоторого предела, за которым принципиально невозможно познать объективные процессы микромира. Борьбу против индетерминизма в квантовой физике, против отрицания объективных причинных, закономерных связей в микромире вели П. Ланжевен, М. Лауэ, Л. де Бройль, М. Планк, А. Эйнштейн, советские физики С.И. Вавилов, В.А. Фок, Д.И. Блохинцев и другие. Они показывают, что соотношение неопределенностей свидетельствует лишь об ограниченной возможности применения понятий классической механики при описании “расплывшихся”, одновременно дискретных и волновых объектов, какими являются электроны и другие микрочастицы. Как видим, следует различать соб101 ственные положения квантовой физики и естествознания вообще (в данном случае соотношение неопределенностей) и их философско-мировоззренческие трактовки, которые могут сильно отличаться друг от друга. И только в результате тщательного анализа можно установить, какая из этих трактовок в наибольшей мере соответствует самому естествознанию, самой объективной природе. 4.8.5. Принцип дополнительности Для объяснения соотношения неопределенностей Н. Бор выдвинул принцип дополнительности, противопоставив его принципу причинности. При использовании прибора, позволяющего точно измерить координаты частиц, импульс может быть любым и, следовательно, причинная связь отсутствует. Применяя приборы другого класса, можно точно измерить импульс, а координаты становятся произвольными. В этом случае процесс, по Н. Бору, совершается якобы вне пространства и времени, т.е. следует говорить либо о причинности, либо о пространстве и времени, но не о том и другом вместе. Принцип дополнительности является методологическим принципом. В обобщенном виде требования принципа дополнительности, как метода научного исследования, можно сформулировать так: для воспроизведения целостности явления на определенном промежуточном этапе его познания необходимо применять взаимоисключающие и взаимоограничивающие друг друга “дополнительные” классы понятий, которые могут использоваться обособленно, в зависимости от особых условий, но только взятые вместе исчерпывают всю поддающуюся определению и передаче информацию. Так, согласно принципу дополнительности, получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект (элементарную частицу, атом, молекулу), неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополнительных к первым. Такими взаимно дополнительными величинами можно считать координату частицы и ее скорость (импульс), кинетическую и потенциальную энергию, направление и величину импульса. Принцип дополнительности позволил выявить необходимость учета корпускулярноволновой природы микроявлений. Действительно, в одних экспериментах микрочастицы, например, электроны, ведут себя как типичные корпускулы, в других – как волновые структуры. С физической точки зрения принцип дополнительности часто объясняют влиянием измерительного прибора на состояние микрообъекта. При точном измерении одной из до102 полнительных величин, другая величина в результате взаимодействия частицы с прибором претерпевает полностью неконтролируемое изменение. Хотя такое толкование принципа дополнительности и подтверждается анализом простейших экспериментов, с общей точки зрения оно наталкивается на возражения философского характера. С позиции современной квантовой теории роль прибора в измерениях заключается в “приготовлении” некоторого состояния системы. Состояния, в которых взаимно дополнительные величины имели бы одновременно точно определенные значения, принципиально невозможны, причем, если одна из таких величин точно определена, то значения другой полностью неопределены. Таким образом, фактически принцип дополнительности отражает объективные свойства квантовых систем, не связанных с наблюдателем. 4.8.6. Описание микрообъектов в квантовой механике Ограниченность применения классической механики к микрообъектам, невозможность с классических позиций описать строение атома, экспериментальное подтверждение гипотезы де-Бройля об универсальности корпускулярно-волнового дуализма, привели к созданию квантовой механики, описывающей свойства микрочастиц с учетом их особенностей. Создание и становление квантовой механики охватывает период с 1900 года (формулировка Планком квантовой гипотезы) до конца 20-х годов двадцатого века и связано, прежде всего, с работами австрийского физика Э. Шредингера, немецких физиков М. Борна и В. Гейзенберга и английского физика П. Дирака. Как уже упоминалось, гипотеза де Бройля была подтверждена опытами по дифракции электронов. Постараемся понять, в чем состоит волновой характер движения электрона, и о каких волнах идет речь. Дифракционная картина, наблюдаемая для микрочастиц, характеризуется неодинаковым распределением потоков микрочастиц, рассеянных или отраженных по различным направлениям: в одних направлениях наблюдается большее число частиц, чем в других. Наличие максимума в дифракционной картине с точки зрения волновой теории означает, что эти направления соответствуют наибольшей интенсивности волн де Бройля. С другой стороны, интенсивность волн де Бройля оказывается больше там, где имеется большее число частиц. Таким образом, интенсивность волн де Бройля в данной точке пространства определяет число частиц, попавших в эту точку. Дифракционная картина для микрочастиц – это проявление статистической (вероятностной) закономерности, согласно которой частицы попадают в те места, где интенсивность 103 волн де Бройля больше. Необходимость вероятностного подхода к описанию микрочастиц – важная отличительная особенность квантовой теории. Можно ли волны де Бройля истолковывать как волны вероятности, то есть считать, что вероятность обнаружить микрочастицы в различных точках пространства меняется по волновому закону? Такое толкование волн де Бройля неверно уже хотя бы потому, что тогда вероятность обнаружить частицу в некоторых точках пространства отрицательна, что не имеет смысла. Чтобы устранить указанные трудности немецкий физик М. Борн (1882–1970) в 1926 году предположил, что по волновому закону меняется не сама вероятность, а амплитуда вероятности, названная волновой функцией. Описание состояния микрообъекта с помощью волновой функции имеет статистический, вероятностный характер: а именно квадрат модуля волновой функции (квадрат амплитуды волн де Бройля) определяет вероятность нахождения частицы в данный момент времени в определенном ограниченном объеме. Статистическое толкование волн де Бройля и соотношение неопределенностей Гейзенберга привели к выводу, что уравнением движения в квантовой механике, описывающим движения микрочастиц в различных силовых полях, должно быть уравнение, из которого вытекали бы наблюдаемые на опыте волновые свойства частиц. Основным должно быть уравнение относительно волновой функции, так как ее квадрат определяет вероятность нахождения частицы в заданный момент времени в заданном определенном объеме. Кроме того, искомое уравнение должно учитывать волновые свойства частиц, то есть должно быть волновым уравнением. Основное уравнение квантовой механики сформулировано в 1926 году Э. Шредингером. Уравнение Шредингера, как и все основные уравнения физики (например, уравнение Ньютона в классической механике и уравнения Максвелла для электромагнитного поля) не выводится, а постулируется. Правильность уравнения Шредингера подтверждается согласием с опытом получаемых с его помощью результатов, что в свою очередь придает ему характер законов природы. Волновая функция, удовлетворяющая уравнению Шредингера, не имеет аналогов в классической физике. Тем не менее при очень малых длинах волн де Бройля автоматически совершается переход от квантовых уравнений к классическим, подобно тому, как волновая оптика переходит в лучевую для коротких длин волн. Оба предельные переходы в математическом отношении совершаются аналогично. Открытие нового структурного уровня строения материи и квантовомеханического способа его описания заложило основы физики твердого тела. Были поняты строение метал104 лов, диэлектриков, полупроводников, их термодинамические, электрические и магнитные свойства. Открылись пути целенаправленного поиска новых материалов с необходимыми свойствами, пути создания новых производств, новых технологий. Большие успехи были достигнуты в результате применения квантовой механики к ядерным явлениям. Квантовая механика и ядерная физика объяснили, что источником колоссальной энергии звезд являются ядерные реакции синтеза, протекающие при звездных температурах в десятки и сотни миллионов градусов. Плодотворным оказалось применение квантовой механики к физическим полям. Была построена квантовая теория электромагнитного поля – квантовая электродинамика, объяснившая много новых явлений. Свое место в ряду элементарных частиц занял фотон – частица электромагнитного поля, не имеющая массы покоя. Синтез квантовой механики и специальной теории относительности, осуществленный английским физиком П. Дираком, привел к предсказанию античастиц. Оказалось, что у каждой частицы должен быть как бы свой “двойник” – другая частица с той же массой, но с противоположным электрическим или каким-либо другим зарядом. Дирак предсказал существование позитрона и возможность превращения фотона в пару электрон – позитрон и обратно. Позитрон – античастица электрона – экспериментально был открыт в 1934 г. 4.8.7. Принцип суперпозиции Основу математического аппарата квантовой механики составляет тот факт, что каждое состояние системы может быть описано в данный момент времени определенной функцией координат (x,y,z) – волновой функцией системы, иногда называемой также амплитудой вероятности. В основе положительного содержания квантовой механики лежит ряд утверждений относительно свойств волновой функции, заключающихся в следующем. Пусть в состоянии с волновой функцией 1 (x,y,z) некоторое измерение приводит с достоверностью к определенному результату 1 , а в состоянии 2. Тогда принимается, что всякая линейная комбинация вида c1 1 + c 2 1 2 (x,y,z) – к результату 1 и 2 , т.е. всякая функция (c1, c2 – постоянные величины), дает либо результат 1, либо резуль- тат 2. Кроме того, можно утверждать, что если нам известна зависимость состояний от времени, которая для одного случая дается функцией 1(x,y,z,t), а для другого – функцией 1(x,y,z,t) , то любая их линейная комбинация тоже дает возможную зависимость состояния от времени. Эти утверждения непосредственно обобщаются на любое число различных состояний. 105 Совокупность высказанных утверждений относительно волновых функций составляет содержание так называемого принципа суперпозиции состояний – основного принципа квантовой механики. Из него, в частности, непосредственно следует, что все уравнения, которым удовлетворяет волновая функция, должны быть линейными. 4.8.8. Принцип тождественности Особенности и специфика взаимодействий между компонентами сложных микро- и макросистем, а также внешних взаимодействий между ними приводят к громадному их многообразию. Для микро- и макросистем характерна индивидуальность: каждая система описывается присущей только ей совокупностью всевозможных свойств. Можно назвать существенные различия между ядром водорода и урана, хотя оба они относятся к микросистемам. Не меньше различий между Землей и Марсом, хотя эти планеты принадлежат одной и той же Солнечной системе. Однако можно говорить о тождественности элементарных частиц. Тождественные частицы обладают одинаковыми физическими свойствами: массой, электрическим зарядом, спином и другими внутренними характеристиками (квантовыми числами). Например, все электроны Вселенной считаются тождественными. Понятие о тождественных частицах как о принципиально неразличимых частицах – чисто квантовомеханическое. Тождественные частицы подчиняются принципу тождественности. Принцип тождественности – фундаментальный принцип квантовой механики, согласно которому состояния системы частиц, получающиеся друг из друга перестановкой тождественных частиц местами, нельзя различить ни в каком эксперименте. Такие состояния должны рассматриваться как одно физическое состояние. Принцип тождественности – одно из основных различий между классической и квантовой механикой. В классической механике всегда можно проследить за движением отдельных частиц по траекториям и таким образом отличить частицы одну от другой. В квантовой механике тождественные частицы полностью лишены индивидуальности. Состояние частицы в квантовой механике описывается волновой функцией, позволяющей определить лишь вероятность нахождения частицы в данной точке пространства, причем, нет смысла говорить о том, какая из них находится в данной точке; имеет смысл говорить лишь о вероятности нахождения в этой точке одной из тождественных частиц. Принцип тождественности и вытекающие из него требования симметрии волновых функций для системы тождественных частиц приводят к важнейшему квантовому эффекту, 106 не имеющему аналога в классической теории, – существованию обменного взаимодействия. Одним из первых успехов квантовой механики было объяснение Гейзенбергом наличия двух состояний атома гелия: орто- и парагелия, основанное на принципе тождественности. 4.8.9. Принципы причинности и соответствия в квантовой механике Философский принцип причинности понимается как взаимообусловленность одного явления (следствия) другим явлением (причиной). Из соотношения неопределенностей Гейзенберга иногда делают идеалистический вывод о неприменимости принципа причинности к явлениям, происходящих в микромире. При этом основываются на следующих соображениях. В классической механике, согласно принципу причинности по известному состоянию системы в некоторый момент времени (полностью определяемому значениями координат и импульсов всех частиц системы) и силам, приложенным к ней, можно абсолютно точно описать ее состояние в любой последующий момент. Следовательно, классическая физика основывается на следующем понимании причинности: состояние механической системы в начальный момент времени с известным законом взаимодействия частиц есть причина, а ее состояние в последующий момент – следствие. Согласно соотношению неопределенностей, микрообъекты не могут иметь одновременно определенные координату и соответствующую ей проекцию импульса, поэтому делается вывод о том, что в начальный момент времени состояние системы точно не определяется. Если же состояние системы точно не определено в начальный момент времени, то не могут быть предсказаны и последующие состояния, т.е. нарушается принцип причинности. Однако никакого нарушения принципа причинности применительно к микрообъектам не наблюдается, поскольку в квантовой механике понятие состояния микрообъекта приобретает совершенно иной смысл, чем в классической механике. В квантовой механике состояния микрообъекта полностью определяется волновой функцией. Задание волновой функции для данного момента времени определяет ее значения в последующие моменты. Таким образом, состояние системы микрочастиц однозначно вытекает из предшествующего состояния, как того требует принцип причинности. В становлении квантовомеханических представлений важную роль сыграл выдвинутый Н. Бором в 1923 г. принцип соответствия: всякая новая более общая теория, являющаяся развитием некоторой старой теории, не отвергает ее полностью: основные законы новой 107 теории таковы, что в предельном случае при надлежащем выборе некого характеристического параметра, они переходят в законы старой теории. Так, формулы кинематики и динамики релятивистской механики переходят при скоростях, много меньших скорости света, в формулы механики Ньютона. Законы квантовой механики переходят в законы классической механики при условиях, когда можно пренебречь величиной кванта действия, т.е. величиной постоянной Планка h. Область, в которой возможно это пренебрежение, является макроскопической. 4.9. Фундаментальные взаимодействия в природе Фундаментальные взаимодействия лежат в основе всех других известных взаимодействий во Вселенной. В настоящее время различают четыре типа взаимодействий: гравитационное взаимодействие, имеющее универсальный характер, электромагнитное взаимодействие, участвующее в генерации любого электромагнитного излучения и связывающее атомы и молекулы, образуя все известные вещества, слабое взаимодействие, ответственное за радиоактивный распад и проявляющееся внутри атомных ядер, сильное ядерное взаимодействие, удерживающее протоны и нейтроны внутри атомного ядра. 4.9.1. Гравитационное взаимодействие Гравитационное взаимодействие характерно для всех материальных объектов вне зависимости от их природы. Оно заключается во взаимном притяжении тел и определяется фундаментальным законом всемирного тяготения: между двумя точечными телами действует сила притяжения, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними. Гравитационным взаимодействием определяется падение тел в поле сил тяготения Земли. Законом всемирного тяготения описывается движение планет Солнечной системы, а также других макрообъектов. Предполагается, что гравитационное взаимодействие передается квантами гравитационного поля – гравитонами. Гравитационные силы носят универсальный характер: всякая частица находится под действием гравитационной силы, величина которой зависит от массы или энергии частицы. Гравитационные силы действуют на очень больших расстояниях и являются силами притяжения. Слабые гравитационные силы взаимодействия отдельных частиц в двух телах большого размера, таких, например, как Земля и Солнце, дают в сумме большую силу. Гравитационные силы при уменьшении расстояний возрастают очень медленно. Преобладающими они становятся лишь в фантастически малых интервалах меньше 108 10–32 см, которые остаются пока еще недоступными для экспериментального исследования. С помощью эксперимента сейчас удается “просматривать” расстояния, близкие к 10 –16 см. 4.9.2. Электромагнитное взаимодействие Электромагнитное взаимодействие создается электромагнитными силами, которые действуют между электрически заряженными частицами, и играют решающую роль при образовании молекул, химических соединений, кристаллов. Электромагнитное взаимодействие связано с электрическими и магнитными полями. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное поле – при их движении. В природе существуют как положительные, так и отрицательные заряды, в силу чего электростатическое взаимодействие между заряженными телами в зависимости от знака заряда сводится либо к притяжению, либо к отталкиванию. При движении зарядов в зависимости от их знака и направления движения между ними возникает либо притяжение, либо отталкивание. Различные агрегатные состояния вещества, явление трения, упругие и другие свойства вещества определяются преимущественно силами межмолекулярного взаимодействия, которое по своей природе является электромагнитным. Электромагнитное взаимодействие описывается фундаментальными законами электростатики и электродинамики: законом Кулона, законом Ампера и др. Его наиболее общее описание дает электромагнитная теория Максвелла, основанная на фундаментальных уравнениях, связывающих электрическое и магнитное поля. Благодаря электромагнитным связям возникают атомы, молекулы и макроскопические тела. Все химические реакции представляют собой проявление электромагнитных взаимодействий, являются результатом перераспределения связей между атомами в молекулах, перестройки электронных оболочек атомов и молекул, а также их количества и состава атомов в молекулах разных веществ. Электромагнитное взаимодействие гораздо сильнее гравитационного, но из-за существования положительных и отрицательных зарядов, силы притяжения и отталкивания в таких больших телах, как Солнце и Земля практически компенсируют друг друга. Однако в малых масштабах атомов и молекул электромагнитные силы доминируют. Сила кулоновского, электрического отталкивания двух электронов в 1042 раз больше величины их гравитационного притяжения. Если представить, что электромагнитные силы, “притягивающие” электроны к атомному ядру, ослабеют до уровня гравитационных, то атом водорода стал бы больше видимой нами части Вселенной. 109 4.9.3. Сильное взаимодействие Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре и определяет ядерные силы. Предполагается, что сильное взаимодействие передается квантами поля ядерных сил – глюонами. Предполагается, что сильное ядерное взаимодействие удерживает кванты внутри нуклонов – протона и нейтрона, а протоны и нейтроны – внутри ядра. Сильное взаимодействие отвечает за устойчивость ядер и распространяется только в пределах размеров ядра. Чем сильнее взаимодействуют нуклоны в ядре, тем оно устойчивее, тем больше его энергия связи, определяемая работой, которую необходимо совершить, чтобы разделить нуклоны и удалить их друг от друга на такие расстояния, при которых взаимодействие становится равным нулю. Ядерные силы являются короткодействующими: при расстояниях между нуклонами, превышающим руживается. На расстояниях, меньших 10 –13 210–13 см, действие их уже не обна- см, притяжение нуклонов сменяется оттал- киванием. Сильное взаимодействие не зависит от зарядов нуклонов. Ядерные силы, действующие между двумя протонами, протоном и нейтроном и двумя нейтронами, равны по величине. Это свойство называют зарядовой независимостью ядерных сил. Ядерные силы зависят от ориентации спинов взаимодействующих нуклонов. Например, протон и нейтрон удерживаются вместе, образуя ядро водорода, только в случае параллельной ориентации их спинов. 4.9.4. Слабое взаимодействие Слабое взаимодействие описывает некоторые виды ядерных процессов. Слабое взаимодействие является наименее интенсивным. Интенсивность слабого взаимодействия на 1011 порядков (в 10101011 раз) меньше интенсивности ядерных сил. Поэтому его и назвали слабым, радиус его действия менее 10–15 см. Оно вызывает медленно протекаю- щие процессы с элементарными частицами. Слабое взаимодействие существует между всеми частицами со спином 1/2 (фермионами) и отвечает за –распад ядер, за многие распады элементарных частиц и за все процессы взаимодействия нейтрино с веществом. Например, слабым взаимодействием объясняется процесс n p + e + + . Слабое взаимодействие ответственно за многие микропроцессы, является необходимой стороной термоядерных реакций в звездах. Возникающие при этом нейтрино уносят значительную часть энергии излучения звезд (до 7%). Обладая огромной проникающей способностью, они слабо поглощаются веществом, постоянно накапливаются в космосе, и через 110 создаваемые ими поля тяготения оказывают весьма существенное влияние на пространственно-временные отношения в гигантских космических масштабах. Слабое взаимодействие является короткодействующим. Слабое взаимодействие переносится так называемыми слабыми бозонами. Обычно для количественного анализа перечисленных взаимодействий используют две характеристики: безразмерную константу взаимодействия, определяющую величину взаимодействия, и радиус действия: Вид взаимодействия Константа взаимодей- Радиус действия ствия Гравитационное 610-39 Электромагнит- 1/137 Сильное 1 (0,1–1) 10-13см Слабое 10-14 << 0,1 10-13см ное По данным табл. Видно, что константа гравитационного взаимодействия самая малая, поэтому радиус действия его, как и электромагнитного взаимодействия, неограничен. Гравитационное взаимодействие в классическом представлении в процессах микромира существенной роли не играет. Однако в макропроцессах ему принадлежит определяющая роль. Например, движение планет Солнечной системы происходит в строгом соответствии с законами гравитационного взаимодействия. В 1967 г. была предложена теория (Вайнберг, Салам), объединившая слабое взаимодействие с электромагнитным. Впоследствии эта теория была подтверждена экспериментально. Это явилось крупным шагом в познании микропроцессов. Перед физикой стоит важнейшая задача создания единой теории взаимодействий, включающих в себя также сильные, а в перспективе и гравитационные взаимодействия. По-видимому, такое "великое объединение" потребует синтеза теории элементарных частиц, научной космологии, релятивистской астрофизики. Только в сверхплотных состояниях вещества, в процессах гравитационного коллапса или, напротив, взрывного расширения черных дыр, в недрах квазаров и ядер галактик могут проявляться те физические условия, в которых возможны синтез и взаимное превращение четырех фундаментальных видов взаимодействий. Разработка единой теории всех известных фундаментальных взаимодействий позволит обеспечить кон111 цептуальную интеграцию современных данных о природе, хотя на этом физическая наука на закончится, ибо материя неисчерпаема и бесконечна в своей структуре, как практически необозримы пути технического применения физики и развития прикладных физических дисциплин. 4.10. Элементарные частицы После того, как физики установили, что атом не является последним кирпичиком мироздания и сам он построен из более простых элементарных частиц, идея поиска таких фундаментальных частиц заняла главное место в их исследованиях. По-прежнему мысль ученых была направлена на то, чтобы свести все многообразие сложных свойств тел и явлений природы к простым свойствам небольшого числа первичных частиц, названных элементарными. Исторически электрон был первой элементарной частицей, открытой еще в конце прошлого века английским физиком Дж.Дж. Томсоном (1856–1940). В 1919 г. Резерфорд, бомбардируя атомы альфа-частицами, открыл протоны. В начале века был открыт фотон – квант света, в 1932 г. – нейтрон, а спустя четыре года – первая античастица – позитрон, которая по массе равна электрону, но имеет положительный заряд. В дальнейшем при исследовании космических лучей были обнаружены многие другие элементарные частицы. С начала 50-х годов основным средством открытия и исследования элементарных частиц стали ускорители заряженных частиц. С их помощью удалось открыть ряд античастиц, например антипротон. В 1970 и 1980-х годах поток открытий новых элементарных частиц усилился, и ученые заговорили о семействах элементарных частиц, которые стали называть "странными", "очарованными" и "красивыми". 4.10.1.Характеристики элементарных частиц Общими для всех элементарных частиц характеристиками являются масса, время жизни, электрический заряд, спин и др. Одна из характерных особенностей элементарных частиц состоит том, что они имеют крайне незначительные массы и размеры. Например, масса такой характерной частицы как протон равна 1,610–24г, а размеры порядка 10–16см. В зависимости от времени жизни, частицы делятся на стабильные (электрон, протон, фотон и нейтрино), квазистабильные (распадающиеся при электромагнитном и слабом взаимодействии, время их жизни порядка 10–20сек) и резонансы (частицы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия, типичное время жизни 10–22 10–24 сек). 112 Элементарные частицы – это маленькие вращающиеся волчки. Они характеризуются моментом импульсом, связанным с вращением частицы и называемым спиновым моментом или спином. Спин может принимать целые или полуцелые значения. Частицы с полуцелым спином называются фермионами, с целым спином – бозонами. У многих частиц существуют двойники в виде античастиц с теми же массой, временем жизни, спином, но отличающиеся знаками зарядов, например, электрон-позитрон, протонантипротон. Существование античастиц было впервые предсказано в 1928 г. английским физиком П. Дираком на основе решения релятивистского уравнения движения для электрона. 4.10.2.Классификация элементарных частиц Элементарными частицами называют фундаментальные, т.е. неделимые, количества вещества или энергии. В соответствии с этим определением проводят наиболее общую классификацию элементарных частиц, которая выделяет элементарные частицы, представляющие собой структурные единицы вещества, и элементарные частицы, передающие фундаментальные взаимодействия и являющиеся квантами соответствующих полей. Элементарные частицы вещества являются фермионами (т.е. имеют полуцелый спин) и бывают двух типов: кварки – основной строительный материал таких частиц, как протоны, нейтроны и – лептоны, к числу которых относятся электроны, мюоны и нейтрино. Элементарные частицы, передающие взаимодействие, являются бозонами (обладают целым спином) и бывают четырех типов: гравитоны, передающие гравитационное взаимодействие, фотоны, передающие электромагнитное взаимодействие, слабые бозоны – для слабого взаимодействия и глюоны – для сильного ядерного взаимодействия. Э Л ЕМ ЕН ТА РН Ы Е Ч А С Т И Ц Ы ф е р м и о н ы кварки лептоны электроны мюоны б о з о н ы гравитоны фотоны глюоны слабые бозоны нейтрино Согласно современным представлениям, кварки являются теми самыми "кирпичиками", из которых построена материя. Сейчас их считают “самыми элементарными” в том смысле, что из них могут быть “построены” все сильно взаимодействующие частицы. С позиции теории кварков уровень эле113 ментарных частиц – это область объектов, состоящих из кварков и антикварков. При этом хотя последние и считаются на данном уровне познания простейшими, самыми элементарными из известных частиц, сами они обладают сложными свойствами – зарядом, “очарованием”, “цветом” и другими необычными свойствами. Как в химии не обойтись без понятий “атом” и “молекула”, так и физика элементарных частиц не может обойтись без понятия “кварк”. Считают, что при Большом Взрыве возникли не атомы и атомные частицы, а именно первичный строительный материал – кварки, из которого потом сформировались другие частицы. Большая заслуга в открытии кварков принадлежит американскому ученому Гелл Манну, который впервые предположил, что протоны, нейтроны, мезоны построены из кварков. Теория кварков наилучшим образом объясняет поведение атомов. Известно несколько разновидностей кварков, называемых "ароматами": кварк, очарованный кварк, b-кварк, u-кварк, d-кварк, странный t-кварк. Кварк каждого "аромата" может быть еще трех "цветов" – красного, зеленого, синего. Протон и нейтрон состоят из трех кварков различных цветов. В протоне содержатся два u-кварка и один d-кварк, в нейтроне – два d-кварка и один u-кварк. Таким образом, согласно современным воззрениям, ни атомы, ни находящиеся внутри атомов протоны с нейтронами не являются неделимыми. Обратимся еще раз к атомистической концепции, но уже с позиций наших знаний об элементарных частицах. Атомистическая концепция опирается на представление о дискретном строении материи, согласно которому объяснение свойств физического тела можно, в конечном счете, свести к свойствам составляющих его мельчайших частиц, которые на определенном этапе познания считаются неделимыми. Исторически такими частицами сначала признавались атомы, затем элементарные частицы и кварки. Трудности, которые возникают при таком подходе с общей мировоззренческой точки зрения связаны, вопервых, с абсолютизацией аспекта дискретности, неограниченной делимости материи, вовторых, с полной редукцией сложного к простому, при которой не учитываются качественные различия между ними. Поэтому с философской точки зрения особенно интересными представляются новые подходы к изучению строения материи, которые основываются не на поиске последних, неделимых ее части, а скорее на выявлении их внутренних связей для объяснения целостных свойств других материальных образований. По-видимому, на объединении концепции дискретности и атомизма, с одной стороны, и непрерывности, целостности и системного 114 подхода, с другой стороны, следует ждать дальнейшего прогресса в познании фундаментальных физических свойств материи. Во всяком случае редукционистская тенденция, связанная с попытками сведения свойств и закономерностей разнообразных сложных объектов и явлений к простым свойствам составляющих их элементов, в настоящее время наталкивается на серьезные трудности, преодоление которых возможно путем поиска альтернативных путей исследования. 4.11. Структурные уровни организации материи Структурность и системная организация материи относятся к числу ее важнейших атрибутов. Они выражают упорядоченность существования материи и те конкретные формы, в которых она проявляется. Под структурой материи обычно понимается ее строение в микромире, т.е. существование в виде молекул, атомов, элементарных частиц и т.д. Но если рассматривать материю в целом, во всех доступных и потенциально возможных формах ее существования, то понятие структуры материи будет охватывать также различные макроскопические тела, все космические системы мегамира, причем в любых, сколь угодно больших пространственно-временных масштабах. С этой точки зрения структура материи проявляется в ее существовании в виде бесконечного многообразия целостных систем, тесно связанных между собой в закономерном движении и взаимодействии, в упорядоченном строении каждой системы. Эта структура неисчерпаема и бесконечна в количественном и качественном отношениях. Проявлениями структурной бесконечности материи выступают: неисчерпаемость объектов и процессов микромира; бесконечность пространства и времени; бесконечность изменений и развития материи. Но из всего этого многообразия форм объективной реальности эмпирически доступна для наблюдений всегда лишь конечная область материального мира. О свойствах и законах движения материи за пределами наблюдаемости мы судим на основе экстраполяции объективно верных научных знаний на предполагаемые области. Причем если эта экстраполяция производится в отношении всеобщих атрибутов и универсальных законов бытия материи, то она может не заключать в себе большой ошибки (хотя и требует теоретического обоснования); если же экстраполируются частные, специфические свойства и законы, то ошибка, начиная с некоторых масштабов, будет неизбежна и картина реальности окажется искаженной. 115 В доступных пространственно-временных масштабах структурность материи проявляется в ее системной организации, существовании в виде множества иерархически взаимосвязанных систем, начиная от элементарных частиц и кончая Метагалактикой. Последнюю иногда отождествляют со всей Вселенной, но для этого нет никаких оснований, ибо Вселенная в целом, понимаемая в предельно широком смысле этого слова, тождественна всему материальному миру и движущейся материи, которая может включать в себя бесконечное множество Метагалактик или других космических систем. Понятие же Вселенной, используемое в различных космологических моделях, обозначает наблюдаемую Вселенную (Метагалактику) либо же различные аспекты последней, как они представляются через содержание принятых моделей. Система – это внутреннее (или внешнее) упорядоченное множество взаимосвязанных (в том числе взаимодействующих) элементов, определенная целостность, проявляющая себя как нечто единое по отношению к другим объектам либо внешним условиям. Упорядоченность множества означает наличие закономерных отношений между элементами системы, проявляющихся в виде законов структурной организации. Внутренняя упорядоченность имеется у всех природных систем, возникающих в результате взаимодействия тел и естественного саморазвития материи. Между элементами любых систем существует взаимосвязь и взаимная обусловленность, которая в материальных системах проявляется в виде взаимодействия элементов путем обмена материей и движением, а в случае самоорганизующихся систем – также и обмена определенной информацией. Во всех целостных системах связь между элементами является более устойчивой, упорядоченной и внутренне необходимой, чем связь каждого из элементов с окружающей средой. В неживой природе множество объектов будет целостной системой лишь в том случае, если энергия связи между ними больше суммарной кинетической энергии совместно с энергией внешних воздействий, направленных на разрушение системы. В противном случае система не возникает или распадается. Энергия внутренних связей – это общая энергия, которую нужно было бы приложить последовательно к каждому из элементов, чтобы удалить его из системы на большое расстояние, т.е. "растащить" систему. Поскольку эта энергия не может возникнуть «из ничего», и каждый из элементов существует в некоторой "потенциальной яме", то стабильность и целостность систем оказывается косвенно обусловленной действием закона сохранения энергии. Внутренняя энергия связи может иметь различное значение в зависимости от характера сил, объединяющих тела в системы. С переходом от космических систем к макроскопиче116 ским телам, молекулам и атомам к гравитационным силам добавляются электромагнитные силы, во много раз превышающие гравитационные. Чем меньше размеры материальных систем, тем более прочно связаны их элементы. Этому соответствует возрастание дефекта масс. При переходе к элементарным частицам энергия внутренних связей и соответствующий ей дефект масс возрастают. Между кварками существуют настолько мощные силы взаимодействия, переносимые глюонами, что дефект масс кварков как бы "погашает" большую часть их собственной массы, РАЗВИТИЕ ХИМИЧЕСКИХ КОНЦЕПЦИЙ 5. Химия – наука о веществах, их строении, свойствах и превращениях. В широком понимании вещество – это любой вид материи, обладающий собственной массой, например, элементарные частицы. В химии понятие вещества более узкое, а именно вещество – это любая совокупность атомов и молекул. Уровень современной экспериментальной техники таков, что позволяет изучать превращения отдельных молекул. Поэтому можно считать, что даже одна единственная молекула образует вещество, которое обладает химическими свойствами и способно превращаться в другие вещества. В истории развития химии выделяют четыре концептуальных уровня в познании вещества: исследование различных свойств веществ в зависимости от их химического состава, определяемого их элементами; исследование структуры. Т.е. способов взаимосвязи и взаимодействия элементов вещества; исследование внутренних механизмов и условий протекания химических процессов; изучение самоорганизации химических систем. 5.1. Учение о составе вещества Уже с первых шагов химики на интуитивном и эмпирическом уровне поняли, что свойства простых веществ и химических соединений зависят от тех неизменных начал, которые впоследствии стали называться элементами. Первый по-настоящему действенный способ определения свойств вещества был предложен во второй половине ХVII в. английским ученым Р. Бойлем (1627–1691). Результаты экспериментальных исследований Бойля показали, что качества и свойства тел зависят от того, из каких материальных элементов они состоят. Возникшее таким образом учение о 117 составе вещества существует и сегодня и продолжает развиваться на качественно новом уровне. 5.1.1. Первые представления о химическом элементе Для определения состава вещества необходимо установить, из каких элементов они состоят, а это предполагает наличие точного понятия химического элемента. Определение Р. Бойлем элемента как "простого тела", а тем более ранние попытки отождествить элементы непосредственно со свойствами и качествами вещей не достигали этой цели. Действительно, ни сам Бойль, ни его сторонники не имели ясного представления о "простом веществе" и поэтому принимали за него химическое соединение. В те времена для получения химического элемента как "простого тела" использовался универсальный метод разложения сложных тел – метод прокаливания. После прокаливания образовывалась окалина, которая принималась за элемент. В результате металлы (железо, медь, свинец, сурьму и т.д.) считали сложными телами, состоящими из соответствующих элементов, и универсального "невесомого тела" – флогистона (от греч. phlogistos – “горючий”). Ошибочная теория флогистона послужила толчком к поиску истины. Усилия химиков были направлены на установления состава различных веществ. Вещества, которые разлагались на более простые вещества, были названы "соединениями" (сложными веществами), например, вода, углекислый газ, железная окалина. Вещества, которые нельзя было далее разложить, назывались "элементами", например, водород, медь, золото. В 1774 г. английский ученый Д. Пристли (1733–1804) одним из первых получил кислород. Пристли наблюдал, что при внесении в кислород слабо горящей свечи или тлеющей лучины свеча ярко загоралась, а лучина вспыхивала. Роль кислорода в этих явлениях была объяснена великим французским химиком А. Лавуазье (1743–1794), опровергнувшим теорию флогистона – носителя "горючести" тел. В результате многочисленных анализов продуктов реакций Лавуазье установил, что горение – это не разложение горючих веществ с выделением флогистона, а соединение веществ с кислородом. Таким образом, была создана кислородная теория (1777), объяснившая процессы дыхания и горения как взаимодействие веществ с окислителем – кислородом. Процесс становления химии как самостоятельной науки требовал создания общепринятой терминологии, в том числе, химической номенклатуры – системы названий химических соединений. Первую систему научных названий в химии выработала в 1787 г. Комиссия химиков во главе с Лавуазье. Современные символы химических элементов были 118 предложены позднее шведским ученым Й. Берцеллиусом (1779–1848). Большой заслугой Лавуазье является приведение в систему огромного фактического материала, накопленного химией. В 1789 г. Лавуазье изложил разработанные им системы знаний в учебнике "Начальный курс химии, представленный в новом виде на основе новейших открытий". Система Лавуазье основывалась на точных качественных и количественных исследованиях. Лавуазье сделал первую попытку систематизации химических элементов. В частности, он привел список всех известных элементов, содержащий 33 вещества. Два из этих веществ были неверными в принципе (свет и теплород), а 8 оказались впоследствии сложными веществами (известь, магнезия, глинозем, кремнезем и т.д.) Первым разделом научной химии явилась стехиометрия, изучающая количественный состав веществ, а также количественные соотношения между веществами, вступающими в реакцию. В конце XVIII – начале XIX вв. были открыты стехиометрические законы (закон постоянства состава, закон кратных отношений, закон простых объемных отношений, закон Авогадро). Эти законы, на первый взгляд, могут показаться очевидными и тривиальными, но для своего времени они являлись гениальными догадками и составили фундамент, на котором базируется современная химия. 5.1.2. Закон постоянства состава Уже к началу XIX в. накопилось много данных о составе отдельных веществ и их изменениях. Развитие техники количественных измерений и методов химического анализа позволило определять соотношения элементов в соединениях. Французский химик Ж. Пруст (1754–1826) после тщательнейших экспериментов с рядом веществ установил закон постоянства состава – один из основных законов химии. Согласно закону постоянства состава, всякое чистое вещество, независимо от способов его получения и нахождения в природе, имеет постоянный качественный и количественный состав. Это означает, что все соединения содержат элементы в строго определенных весовых пропорциях, независимо от способа получения, Так, например, сернистый газ, полученный сжиганием серы, или действием кислот на сульфиты, или любым другим способом, всегда содержит одну весовую часть серы и одну весовую часть кислорода. 119 Закон постоянства состава веществ был установлен в результате семилетнего спора между Прустом и его оппонентом, французским химиком К. Бертолле (1748–1822), утверждавшим, что состав соединений зависит от способа их получения. Бертолле в результате анализа растворов, которые он считал химическими соединениями, сделал общий вывод о существовании химических соединений переменного состава. Получалось, что два элемента могут образовать непрерывный ряд соединений с изменяющимися свойствами и составом. Пруст утверждал, что состав чистого вещества всегда один и тот же, любое химическое вещество имеет всегда одни и те же свойства, одинаковую температуру плавления, кипения, удельный вес. Пруст заявлял, что природа даже через посредство людей никогда не производит соединений иначе, как только по весу и мере. Одни и те же соединения имеют всегда тождественный состав. Внешний их вид может быть различен, но свойства – никогда. Нет разницы между окисью железа из южного полушария и из северного, хлористое серебро из Перу совершенно тождественно хлористому серебру из Сибири; во всем мире имеется только один хлористый натрий, одна селитра и т.д. Проделав в течение 1799–1887 гг. массу анализов, Пруст доказал справедливость своих выводов. Дальнейшее развитие химии показало, что закон постоянства состава характеризует соединения с молекулярной структурой, состав же соединений с немолекулярной структурой (атомной, ионной и металлической решеткой) не является постоянным и зависит от условий получения. В начале XX в. русский химик Курнаков, изучая сплавы металлов, открыл соединения переменного состава. В дальнейшем было выяснено, что соединения переменного состава встречаются также среди оксидов, соединений металлов с серой, азотом, углеродом, водородом а также – среди других неорганических веществ, имеющих кристаллическую структуру. Вещества переменного состава были названы ний постоянного состава – бертоллидами, в отличие от соедине- дальтонидов. Для многих соединений переменного состава установлены пределы, в которых может изменяться их состав. Так, в диоксиде титана TiO2 на единицу массы титана может приходиться от кислорода, что соответствует формуле Тi O1,9 – 2,0 0,65 до 0,67 единиц массы ( таб.4.1). Таблица 4.1 120 ДАЛЬТОНИДЫ БЕРТОЛЛИДЫ (вещества постоянного состава) (вещества переменного состава) примеры соединений примеры соединений H2 O H Cl C Cl4 CO2 Ti O1,9 – 2,0 V O0,9 –1,3 Таким образом, закон постоянства состава, в отличие от закона сохранения массы вещества, не является столь всеобщим. Однако для своего времени закон постоянства состава имел фундаментальное значение. Он привел к мысли о существовании молекул и подтвердил неделимость атомов. В самом деле, почему в сернистом газе весовое отношение серы и кислорода всегда 1:1, а не 1,1:0,9 или 0,95:1.05? Этот результат легко объяснить, если предположить, что атомы серы соединяются с определенным числом атомов кислорода и образуют частицы сернистого газа (эти частицы впоследствии были названы молекулами). 5.1.3. Закон простых кратных отношений Закон постоянства состава был теоретически обоснован в 1800–1810 гг. английским ученым Дж. Дальтоном (1766–1844), который на основе атомической гипотезы не только подтвердил этот закон, но и открыл новый закон – закон простых кратных отношений. Закон простых кратных отношений утверждает, что если два химических элемента образуют друг с другом несколько химических соединений, то весовые количества одного из элементов, приходящиеся в этих соединениях на одно и то же весовое количество другого элемента, относятся между собой как небольшие целые числа. Этот закон был установлен не на основе опытных данных, а был выведен из атомистических представлений, согласно которым предполагались целочисленные соотношения атомов в соединениях. Например, при образовании нескольких соединений из двух элементов их атомы соединяются друг с другом в молекулы различного, но определенного состава. Так, молекула оксида углерода CO построена из одного атома углерода и одного атома кислорода, а в состав молекулы диоксида углерода СO2 входит один атом углерода и два атома кислорода. Ясно, что масса кислорода, приходящаяся на одну и ту же массу углерода, во втором соединении в два раза больше, чем в первом. Аналогичным образом, Весовые количества азота , соединяющиеся с одинаковым весовым количеством кислорода в окиси азота NO и закиси азота N2O относятся как 121 1:2 (рис. 4.1). NO N2O Рис. 4.1.Различные соединения азота с килородом Из закона простых кратных отношений следует, что атомы элементов соединяются в молекулы, причем молекулы содержат небольшое число атомов. Измерение весового содержания элементов позволяет, с одной стороны, определять молекулярные формулы соединений, а с другой стороны – находить относительные веса атомов. Закон простых кратных отношений, как и закон постоянства состава, не является всеобщим законом природы. Например, этот закон не соблюдается в случае веществ, молекулы которых состоят из большого числа атомов, таких как C20 H42 или C21 H44 . Числа единиц массы водорода, приходящихся на одну единицу массы углерода в этих соединениях, относятся друг к другу как целые числа, но назвать эти числа небольшими нельзя. Дальтон составил первую в истории химии таблицу атомных весов элементов. Однако она оказалась во многих отношениях неверной, поскольку при определении атомных весов Дальтон часто исходил из неправильных молекулярных формул. Он считал, что атомы элементов почти всегда соединяются попарно, так формула воды по Дальтону – НО. Кроме того, Дальтон был уверен, что молекулы всех простых веществ содержат по одному атому. Правильные формулы воды и многих других веществ были определены при исследовании химических реакций в газовой фазе. 5.1.4. Гипотеза Авогадро В 1808 г. французский ученый Ж. Л. Гей-Люссак (1778–1850) на основе изучения химических реакций газов открыл еще один фундаментальный закон химии – закон простых объемных отношений. Гей-Люссак изучал реакции между различными газами, но всегда отношения между объемами реагирующих газов и объемами полученных газообразных продуктов реакции выражались простыми целыми числами. Например, образуя 2 л хлорводорода; 1 л хлора соединяется с 2 л водорода соединяются с 1 л водорода, 1 л кислорода, образуя 2л водяного пара; при электролитическом разложении воды образуются один объем кислорода и два объема водорода и т.д. 122 Обобщением этих результатов и явился закон простых объемных отношений, согласно которому объемы вступающих в реакцию газов при одинаковых условиях (температуре и давлении) относятся друг к другу как простые целые числа ( рис4.2). 2CO + O2 = 2CO2 Рис. 4.2. Два объема окиси углерода, соединяясь с одним объемом кислорода, дают два объема угл екислого газа. Открытие закона простых объемных отношений вызвало споры среди ученых, т.к. многие из них приняли атомистическую гипотезу Дальтона и считали, что в равных объемах различных газов содержится одинаковое число атомов, что никак не могло объяснить новый закон. Подлинный смысл закона объемных отношений выяснился после открытия великого итальянского химика А. Авогадро (1776–1856), который в 1811 г. предположил, что в равных объемах различных газов при одинаковых условиях (температуре и давлении) содержится одинаковое число молекул. Эта гипотеза Авогадро, впоследствии названная законом, основывалась на молекулярных представлениях и означала, что все газы ведут себя в некотором смысле одинаково и что объем газа при заданных условиях не зависит от химической природы газа, а определяется только числом частиц. Измеряя объем, мы можем определить число частиц в газовой фазе. Большая заслуга Авогадро состоит в том, что он смог установить простую связь между наблюдаемой макроскопической величиной (объемом) и микроскопическими свойствами газообразных веществ (числом частиц). Закон Авогадро ввел в науку представление о молекулах как о мельчайших частицах вещества, причем, представление об атомах как о мельчайших частицах элемента сохранялось. Авогадро особенно подчеркивал, что молекулы простых веществ отнюдь не должны быть тождественны с атомами, а, напротив, они обычно состоят из нескольких атомов данного элемента. Закон Авогадро позволил сделать вывод о числе атомов в молекулах газов. Анализируя объемные отношения Гей-Люссака, и используя свою гипотезу, Авогадро установил, что молекулы простых веществ (водорода, хлора, кислорода, азота) состоят из двух атомов. 123 Это предположение объяснило закон простых объемных отношений Гей-Люссака. Например, при соединении водорода с хлором их молекулы распадаются на атомы, которые образуют молекулы хлорводорода. Но поскольку из одной молекулы водорода и одной молекулы хлора образуются две молекулы хлорводорода, то его объем должен быть равен сумме объемов исходных газов: H Cl + H = 2 Cl H2 H + Cl2 Cl = 2HC l Из закона Авогадро вытекает важное следствие: при одинаковых условиях 1 моль любого газа занимает один и тот же объем, в частности, при нормальных условиях этот объем равен 22,4 л. Как это ни странно, но современники Авогадро не признали и не оценили его достижений. Ведущие химики того времени Дальтон и Берцелиус возражали против того, что молекулы простых веществ могут быть двухатомны, поскольку полагали, что молекулы образуются только из разных атомов. Под давлением таких авторитетов гипотеза Авогадро была отвергнута и постепенно забыта вплоть до середины девятнадцатого века, когда основные положения атомно-молекулярного учения получили всеобщее понимание и признание. 5.1.5. Атомно-молекулярное учение В 1858 г. почти через 50 лет после открытия Авогадро итальянский химик С. Канницаро (1826–1910) обнаружил работы Авогадро и увидел, что они позволяют четко разграничить понятия "атом" и "молекула" для газообразных веществ. Именно Канницаро предложил определения атома и молекулы и внес полную ясность в понятия "атомный вес" и "молекулярный вес". В 1860 г. в Карслуэ (Германия) состоялся Первый международный химический конгресс, на котором после долгих дискуссий были сформулированы основные положения атомномолекулярного учения: вещества состоят из молекул – наименьших частиц вещества, обладающих его химическими свойствами; молекулы состоят из атомов, которые соединяются друг с другом в определенных отношениях; 124 атом – наименьшая частица элемента в химических соединениях; разным элементам соответствуют разные атомы; атомы и молекулы находятся в постоянном самопроизвольном движении; при химических реакциях молекулы одних веществ превращаются в молекулы других веществ; атомы при химических реакциях не изменяются; молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов лекулы сложных веществ – из разных атомов (H2O, HСl (O2, P2, N2 и т.д.), мо- и т.д.); свойства молекул зависят не только от их состава, но и от способа, которым атомы связаны друг с другом. Современная наука развила классическую атомно-молекулярную теорию, а некоторые ее положения были пересмотрены. Было установлено, что атом не является неделимым бесструктурным образованием. Выяснилось, что не во всех случаях частицы, образующие вещество, являются молекулами. Многие химические соединения, особенно в жидком и твердом состоянии, имеют ионную структуру, например, соли. Некоторые вещества, например, инертные газы состоят из отдельных атомов, слабо взаимодействующих между собой. И, наконец, при нагревании до температур порядка тысяч и миллионов градусов вещество переходит в особое состояние – плазму, которая представляет собой смесь атомов, положительных ионов, электронов и атомных ядер. 5.1.6. Закон сохранения массы и энергии Фундаментальным законом естествознания является закон сохранения массы вещества, который был сформулирован в 1748 г. в виде философской концепции великим русским ученым М.В. Ломоносовым (1711–1765) и подтвержден экспериментально им самим в 1756 г., а также независимо от него - французским химиком А.Л. Лавуазье в 1789 г. Закон сохранения массы вещества гласит: масса веществ, вступающих в химическую реакцию, равна массе всех продуктов реакции. Опыты по сжиганию веществ, которые проводились до Ломоносова, наводили на мысль, что масса веществ в процессе реакции не сохраняется. При нагревании на воздухе ртуть превращалась в красную окалину, масса которой была больше массы металла. Масса золы, образующейся при сгорании дерева, напротив, всегда меньше массы исходного вещества. Немецкий врач и химик Эрнст Шталь (1660–1734) пытался объяснить эти явления тем, что 125 горючие вещества содержат некоторую субстанцию – флогистон, которая в процессе горения улетучивается или передается от одного вещества к другому. Это означало, что горение вещества есть реакция разложения на флогистон и негорючий остаток. Но тогда получалось, что есть положительный флогистон (содержится в дереве), который приводит к уменьшению массы при горении, и отрицательный (в металлах), который дает увеличение массы. Ломоносов провел простой опыт, который показал, что горение металла есть реакция присоединения, а увеличение массы металла происходит за счет присоединения части воздуха. Он прокаливал металлы в запаянном стеклянном сосуде и обнаружил, что масса сосуда не изменялась, хотя химическая реакция происходила. К сожалению, открытие Ломоносова не было замечено зарубежными учеными, а закон сохранения массы вещества утвердился в химии только после опытов Лавуазье, который проводил реакции сжигания металлов и восстановления оксидов металлов углем, и ни разу не обнаружил увеличения или уменьшения массы продуктов реакции по сравнению с исходными веществами. Закон сохранения массы вещества имел огромное значение для атомно-молекулярной теории. Он подтвердил, что атомы являются неделимыми и при химических реакциях не изменяются. Молекулы при реакции обмениваются атомами, но общее число атомов каждого вида не изменяется и поэтому общая масса веществ в процессе реакции сохраняется. Закон сохранения массы вещества является частным случаем общего закона природы - закона сохранения энергии, который утверждает, что энергия изолированной системы постоянна. Энергия – это мера движения и взаимодействия различных видов материи. При любых процессах в изолированной системе энергия не производится и не уничтожается, она может переходить из одного вида в другой. Например, энергия электромагнитного излучения, действующего на молекулу, может переходить в энергию вращательного движения молекулы или поступательного движения атомов; напротив, энергия химического взаимодействия может переходить в энергию излучения. Закон сохранения энергии как философский принцип не выводится из более общих постулатов. С физической точки зрения закон сохранения энергии является следствием однородности времени, т.е. того факта, что законы природы со временем не меняются. Закон сохранения массы вещества не выполняется в ядерных реакциях, что объясняется на основе принципа эквивалентности массы и энергии, сформулированного Эйнштейном и выражаемого самой знаменитой в мире формулой: 126 Е = mc 2 . Это соотношение показывает, что масса может переходить в энергию и наоборот, что и происходит в ядерных реакциях. В химических реакциях изменение массы, вызванное выделением или поглощением энергии, очень мало и не поддается экспериментальной регистрации. Поэтому можно утверждать, что в химических реакциях закон сохранения массы выполняется с очень высокой степенью точности. 5.1.7. Периодический закон Менделеева Утверждение атомно-молекулярной теории на рубеже XVIII–XIX вв. сопровождалось бурным ростом числа известных химических элементов. Только за первое десятилетие XIX в. было открыто 14 новых элементов. Английский химик Г. Дэви (1778–1829) за один год с помощью электролиза получил шесть новых элементов– натрий, калий, магний, кальций, стронций, барий. К 1830 г. число известных элементов достигло 55. Существование такого количества элементов, весьма разнообразных по свойствам, озадачивало химиков и требовало систематизации элементов. Некоторые ученые, заметив сходства нескольких элементов, объединяли их в отдельные группы, однако причины заметного изменения свойств не были установлены. Периодический закон химических элементов – фундаментальный закон природы – был открыт великим русским химиком Д.И. Менделеевым в 1869 г. в результате систематизации химических элементов в зависимости от их атомных весов: свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины ато мных весов элементов. Несмотря на огромную значимость открытия Менделеева, оно представляло лишь гениальное эмпирическое обобщение фактов, а их физический смысл долго оставался непонятным. Причина заключалась в том, что в XIX в. отсутствовали какие-либо представления о сложном строении атома. Сам Менделеев по этому поводу писал: "Периодическая изменяемость простых и сложных тел подчиняется некоторому высшему закону, природу которого, а тем более причину еще нет средств охватить. По всей вероятности, она кроется в основных началах внутренней механики атомов и частиц". Данные о строении атомного ядра и распределении электронов в атомах позволяют поновому рассмотреть периодический закон, который в современной формулировке гласит: свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов (поря дкового номера). 127 Такая формулировка закона не противоречит формулировке, данной Менделеевым. Она только базируется на новых данных, которые придают закону физическую обоснованность, и подтверждают его правильность. Примерами, иллюстрирующим проявление периодического закона химических элементов, может служить периодическая зависимость плотности простых веществ в твердом состоянии от порядкового номера элемента (заряда ядра), или же такие характеристики атома как его размер, энергия ионизации, электроотрицательность, степень окисления, имеющие периодическую зависимость от заряда атомного ядра (рис. 4.3). Табличной формой представления периодического закона является периодическая система химических элементов, разработанная Менделеевым в 1869–1871 гг. Плотность твердого вещества, г/см3 15 Rh 10 Ni 5 C Al Li 0 0 Рис. 4.3. Na 10 Rb K 20 30 40 Порядк овый номер 50 Зависимость плотности простых веществ в твердом состоянии от порядкового н омера. В периодической системе химических элементов все известные в настоящее время химические элементы расположены в порядке возрастания зарядов их атомных ядер, численно равных порядковому номеру элемента, и образуют 7 горизонтальных периодов, каждый из которых, за исключением первого, начинается щелочным металлом и заканчивается инертным газом, причем, седьмой период является незавершенным. Первые три периода, состоящие из одного ряда, называются малыми, остальные – большими. По вертикали химические элементы располагаются в 8 вертикальных столбцах-группах, причем каждая группа делится на две подгруппы – главную, состоящую из элементов вто128 рого и третьего периодов и сходных с ними элементов больших периодов, и – побочную, состоящую из металлов больших периодов. Отдельно внизу таблицы помещены элементы с порядковыми номерами 58–71, называемые лантаноидами, и – элементы с порядковыми номерами 90–103, называемые актиноидами. В каждой клетке периодической системы химических элементов, помимо наименования элемента и его порядкового номера, приведено значение относительной атомной массы элемента и показано распределение электронов по энергетическим уровням (рис. 4.4). Относительная атомная масса U 92 2 3 8 ,0 2 8 9 1 2 9 21 32 18 8 2 У Р АН Распределение электронов Рис. 4.4. Фрагмент периодической системы химических элементов. На основе периодического закона химических элементов и периодической таблицы Менделеев пришел к выводу о существовании новых элементов, свойства которых он подробно описал и дал им условные названия – экабор, экаалюминий и экасилиций. Предсказания Менделеева блестяще подтвердились, – все три элемента были открыты и получили названия тех стран, где были сделаны открытия и найдены минералы, содержащие эти элементы: галлий, скандий, германий. Таким образом, Менделеев провел блестящий теоретический анализ огромного числа экспериментальных данных, синтезировал свои результаты в виде общего закона и сделал на его основе предсказания, которые вскоре были подтверждены экспериментально. Эта работа является классическим примером научного подхода к познанию окружающего мира. 5.1.8. Электронное строение атома Так как при химических реакциях ядра реагирующих атомов остаются без изменений (за исключением радиоактивных превращений), то химические свойства атомов зависят от строения их электронных оболочек. Теория электронного строения атома построена на основе аппарата квантовой механики. Так, структура энергетических уровней атома может быть получена на основе квантовомеханических расчетов вероятностей нахождения электронов в пространстве вокруг атомного ядра (рис. 4.5). 129 4f 4 4d 4p 3d 4p 3p 3s 2p 3 2 2s 1 1s Э нергет ические уровни П одуровни Рис. 4.5. Схема подразделения энергетических уровней на подуровни Основы теории электронного строения атома сводятся к следующим положениям: состояние каждого электрона в атоме характеризуется четырьмя квантовыми числами: главным квантовым числом магнитным m l n = 1, 2, 3, ; орбитальным (азимутальным) l=0,1,2,n–1; –l,–1,0,1,l; = спиновым ms = -1/2, 1/2. Согласно принципу Паули, в одном и том же атоме не может быть двух электронов, обладающих одинаковой совокупностью четырех квантовых чисел n, l, ml, ms ; совокупно- сти электронов с одинаковыми главными квантовыми числами n образуют электронные слои, или энергетические уровни атома, нумеруемые от ядра и обозначаемые как причем в энергетическом слое с данным значением n могут находиться не бо- N, O, P, Q, 2n2 лее, чем n и l, K, L, M, электронов. Совокупности электронов с одинаковыми квантовыми числами образуют подуровни, обозначаемые по мере удаления их от ядра как s, p, d, f . Вероятностное нахождение положения электрона в пространстве вокруг атомного ядра соответствует принципу неопределенностей Гейзенберга. По квантовомеханическим представлениям, электрон в атоме не имеет определенной траектории движения и может находиться в любой части пространства вокруг ядра, а различные его положения рассматриваются как электронное облако с определенной плотностью отрицательного заряда. Пространство вокруг ядра, в котором наиболее вероятно нахождение электрона, называется орбиталью. В нем заключено порядка 90% электронного облака. Каждому подуровню 2s, 2p 1s, и т.д. соответствует определенное количество орбиталей определенной формы. Например, 1s- и 2s-орбитали имеют сферическую форму, а 2p-орбитали (2px, 2py, 2pz- орбитали) ориентированы во взаимно перпендикулярных направлениях и имеют форму гантели (рис. 4.6). 130 z z 1s z 2px z 2py x 2pz x x x y y y y Рис. 4.6. Форма и ориентация электронных орбиталей. При химических реакциях атомное ядро не претерпевает изменений, изменяются лишь электронные оболочки атомов, строением которых объясняются многие свойства химических элементов. На основе теории электронного строения атома был установлен глубокий физический смысл периодического закона химических элементов Менделеева и создана теория химической связи. Теоретическое обоснование периодической системы химических элементов включает в себя данные о строении атома, подтверждающие существование связи между периодичностью изменения свойств химических элементов и периодическим повторением сходных типов электронных конфигураций их атомов. В свете учения о строении атома становится обоснованным разделение Менделеевым всех элементов на семь периодов: номер периода соответствует числу энергетических уровней атомов, заполняемых электронами. В малых периодах с ростом положительных заряда ядер атомов возрастает число электронов на внешнем уровне (от 1 до 2 в первом периоде, и от 1 до 8 во втором и третьем периодах), что объясняет изменение свойств элементов: в начале периода (кроме первого) находится щелочной металл, затем наблюдается постепенное ослабление металлических свойств и усиление неметаллических. Эта закономерность прослеживается для элементов второго периода в таблице 4.2. Таблица 4.2. Группа I II III IV V VI Элемент Li Be B C N O F Ne Число электронов на внешнем уровне 1 2 3 4 5 6 7 8 131 VII VIII В больших периодах с ростом заряда ядер заполнение уровней электронами происходит сложнее, что и объясняет более сложное изменение свойств элементов по сравнению с элементами малых периодов. Одинаковый характер свойств химических элементов в подгруппах объясняется сходным строением внешнего энергетического уровня, как это показано в табл. 4.3, иллюстрирующей последовательность заполнения электронами энергетических уровней для подгрупп щелочных металлов. Таблица 4.3. П ер и о д I гр уп п а 2 L i 3 3 N a 1 1 4 5 6 7 Ч и сл о эл ек тр о н о в н а эн ер г ети ч еск и х у р о в н я х K L 2 1 M N 2 8 1 K 1 9 2 8 8 1 R b 3 7 O P 2 8 18 8 1 C s 5 5 2 8 18 18 8 1 F r 8 7 2 8 18 32 18 8 Q 1 Номер группы, как правило, указывает на число электронов в атоме, которые могут участвовать в образовании химических связей. В этом заключается физический смысл номера группы. В четырех местах периодической системы элементы расположены не в порядке возрастания атомных масс: Ar и K, Co и Ni, Te и I, Th и Pa . Эти от- ступления считались недостатками периодической системы химических элементов. Учение о строении атома объяснило указанные отступления. Опытное определение зарядов ядер показало, что расположение этих элементов соответствует возрастанию зарядов их ядер. Кроме того, опытное определение зарядов ядер атомов дало возможность определить число элементов между водородом и ураном, а также число лантаноидов. Ныне все места в периодической системе заполнены в промежутке от Z=1 до Z=114, однако периодиче- ская система не закончена, возможно открытие новых трансурановых элементов. 5.2. Структура химических систем Характер любой системы зависит не только от состава и строения ее элементов, но и от их взаимодействия. Совокупность тех специфических взаимосвязей и взаимодействий, благодаря которым возникают новые целостные свойства, присущие только системе и отсутствующие у отдельных ее компонентов, называются структурой системы. Поэтому при исследовании разнообразных веществ и их реакционной способности ученым химикам приходилось заниматься и изучением их структур. В качестве первичной химической си132 стемы рассматривалась при этом молекула и поэтому под структурой вещества, прежде всего, понималась структура молекулы, как наименьшей частицы вещества. Представления о структуре молекулы по мере развития химической науки постепенно совершенствовались, уточнялись, конкретизировались, начиная от весьма общих положений отвлеченного характера, и кончая гипотезами, обоснованными с помощью систематических химических экспериментов. Так, известный шведский химик Й. Берцелиус (1779–1848), французский химик Ш. Жерар (1815–1856), немецкий химик Ф. Кекуле (1839–1866) пытались в своих теориях ответить на вопрос: существует ли какая либо упорядоченность в объединении атомов в молекуле или они объединяются произвольно. На этой основе их разработок возникли структурные формулы, в которых элементы связывались друг с другом по числу их валентности. Комбинируя атомы по их валентности можно было прогнозировать получение различных соединений в зависимости от исходных реагентов. Таким путем можно было уже управлять процессом синтеза веществ с различными свойствами. 5.2.1. Теория химического строения Бутлерова Со второй половины XIX в. в истории химии начинается период крупнейших теоретических обобщений. Этому в немалой степени способствовало широкое использование в промышленности органических веществ, характеризуемых многообразием их свойств, при крайне однообразном элементном составе (углерод, водород, кислород, сера, фосфор). Создание в 1860 г. выдающимся русским химиком А.М. Бутлеровым (1828–1886) теории химического строения вещества ознаменовало возникновение более высокого уровня познания вещества – структурной химии. Период становления структурной химии иногда называют "триумфальным маршем органического синтеза". В этот период зарождалась технология органических веществ. Были получены всевозможные красители для тканей, фармацевтические препараты, искусственные материалы и т.п. Основными положениями теории химического строения являются следующие утверждения: атомы в молекулах соединены в определенном порядке, согласно их валентности; физические и химические свойства вещества определяются не только его качественным и количественным составом, но и химическим строением; 133 атомы или группы атомов, образовавшие молекулу, взаимно влияют друг на друга, от чего зависит реакционная способность молекулы. До Бутлерова считалось невозможным познать строение молекулы, т.е. порядок химических связей между атомами. Так, совершенно непонятным казалось явление изомерии, открытое в 1823 г. немецкими химиками Ф. Велером (1800–1882) и Ю. Либихом (1803–1873) и заключающееся в существовании химических соединений – изомеров, имеющих один и тот же качественный и количественный состав, одинаковую молекулярную массу, но отличающихся друг от друга строением, а следовательно, и свойствами. Изомерами, например, являются этиловый спирт и диметиловый эфир, структурные формулы которых имеют вид: H H H H C C O H H H H C O C H H Эт иловый спирт H H Димет иловый эфир Эти два вещества, несмотря на одинаковый качественный и количественный состав C2 H6 O и одинаковую молекулярную массу, имеют совершенно различные свойства: эти- ловый спирт – жидкость, кипящая при +78,4C , смешивающаяся с водой в любых соот- ношениях, а диметиловый эфир – газ, почти не растворимый в воде и существенно отличающийся от этилового спирта по химическим свойствам. Явление было объяснено в 1861 г. Бутлеровым на основе созданной им теории химического строения. Более того, Бутлеров предсказал существование двух изомеров бутана – веществ, имеющих одинаковый состав, но отличающихся порядком соединения атомов в молекулах. В 1867 г. Бутлеров синтезировал предсказанный изомер, это был изобутан, который от нормального бутана отличается строением молекулы, хотя оба имеют одинаковую эмпирическую формулу C4 H10 : 134 H H H H H H H C C C C H H H H H H H C C C H H H H C H H Б ут а н Изо бут а н Синтез изобутана был первым большим успехом теории химического строения. Теория химического строения Бутлерова, развитая и дополненная представлениями об электронном строении атома, является важнейшей частью теоретического фундамента химии органических соединений. Согласно современным представлениям структура молекул – это пространственная и энергетическая упорядоченность квантовомеханической системы, состоящей из атомных ядер и электронов. Теория Бутлерова способствовала развитию органического синтеза. Так, в 1860-е годы были синтезированы на основе простейших углеводородов из каменноугольной смолы и аммиака анилиновые красители: фуксин, анилиновая соль, ализарин. Кроме того, были получены новые вещества: индиго, флавоны, ксантоны; взрывчатые вещества: тринитротолуол, тринитрофенол, уротропин; лекарственные препараты: аспирин, феноцетин, антифебрин, салол, антипирин и т.п. Относительно недавно открыт новый класс металлоорганических соединений с двухслойной структурой, названной структурой сэндвичевых соединений. К такому классу относится ферроцен. Хотя подобного рода соединения пока не нашли практического применения, они представляют теоретический интерес при анализе природы валентности и химической связи. Структурная химия охватывает и неорганические материалы. В структурной неорганической химии можно выделить два перспективных направления: синтез кристаллов с максимальным приближением к идеальной решетке для получения материалов с высокими техническими показателями (максимальной прочностью, термической стойкостью, долговечностью в эксплуатации); 135 создание кристаллов с заранее запрограммированными дефектами для производства материалов с заданными электрическими, магнитными, оптическими и другими свойствами. Выращивание кристаллов требует специальных условий, при которых необходимо исключить воздействие внешних факторов, даже таких, как поле гравитации, поэтому некоторые эксперименты по выращиванию кристаллов проводятся в космосе на орбитальных станциях. 5.2.2. Химическая связь Лишь немногие химические элементы (благородные газы) при обычных условиях находятся в состоянии одноатомного газа. Атомы остальных элементов могут взаимодействовать друг с другом и с атомами других элементов. образуя при этом более или менее сложные частицы (молекулы, молекулярные ионы и свободные радикалы), что указывает на наличие причины, по которой атомы связываются друг с другом. Эта причина получила название химической связи. Химическая связь – это результат взаимодействия электрических полей, создаваемых электронами и ядрами атомов, участвующих в образовании устойчивой химической системы – молекулы. Доказано, что в образовании химической связи между атомами главную роль играют валентные электроны, расположенные на внешней оболочке атома и, следовательно, связанные с ядром наименее прочно. Именно поэтому строение валентной электронной конфигурации атомов является определяющим фактором при рассмотрении условий образования химической связи. Согласно теории химической связи, наибольшей устойчивостью обладают внешние оболочки из двух или восьми электронов (характерные для благородных газов). Это и служит причиной того, что благородные газы при обычных условиях не вступают в химические реакции с другими элементами. Атомы же, имеющие на внешней оболочке менее восьми электронов (или иногда менее двух), стремятся приобрести структуру благородных газов. Такая закономерность позволила сформулировать положение, которое является основным принципом образования молекулы: при образовании молекулы, атомы стремятся приобрести устойчивую восьмиэлектронную (октет) или двухэлектронную (дублет) оболочки. 136 Образование устойчивой электронной конфигурации может происходить несколькими способами и приводит к молекулам (и веществам) различного строения, поэтому различают несколько типов химической связи. Химическая связь, обусловленная взаимодействием двух электронов по одному от каждого атома с образованием общей электронной пары, называется ковалентной связью. Для ее представления используют электронные формулы, в которых ковалентная связь изображается с помощью точек, обозначающих внешние электроны атома, например: H H Cl Cl N N H O H При соединении двух атомов водорода в молекулу каждый атом приобретает устойчивую двухэлектронную оболочку, подобную завершенной электронной оболочке атома благородного – гелия. Такие же оболочки имеют атомы водорода в молекулах воды. При соединении двух атомов хлора или двух атомов азота наружная оболочка каждого атома дополняется до устойчивой восьмиэлектронной конфигурации атома неона. Важное свойство ковалентной связи – ее направленность. Так электронные орбитали имеют разную форму и ориентацию в пространстве, их взаимное перекрывание может осуществляться различными способами (рис. 4.7). s s s p p p p p Рис. 4.7. Схема образования химической связи. Другим типом химической связи является ионная связь. В отличие от молекул, молекулярные ионы представляют собой многоатомные частицы, несущие электрический заряд, и сами по себе не образуют какое-либо вещество, т.к. между ними существует электростатическое отталкивание, которое может быть скомпенсировано лишь одновременным присутствием эквивалентного числа противоположно заряженных ионов. Химическая связь, осуществляемая в результате взаимного электростатического притяжения противоположно заряженных ионов, называется ионной связью. Впервые предположения об ионной связи были высказаны в 1916 г. немецким ученым Косселем, который полагал, что при взаимодействии двух атомов один из них отдает, а другой принимает электроны. При этом первый атом превращается в положительно заряженный ион, а второй 137 – в отрицательно заряженный ион. Взаимное электростатическое притяжение образовавшихся ионов приводит к образованию устойчивого соединения. Дальнейшее развитие этих идей привело к созданию современных представлений об ионной связи. Ионные соединения образуют атомы элементов, резко отличных по электроотрицательности. Образование ионной связи можно проследить на примере хлорида натрия NaCl: Na – e - = Na + Cl + e - = Cl Na + + Cl - = NaCl В обычных условиях ионные соединения представляют собой кристаллические вещества с высокой температурой плавления и кипения. Например, температура плавления составляет 5.3. NaCl +800C. Физико-химические закономерности протекания химических процессов Под влиянием новых требований производства возникло учение о химических процессах, в котором учитывается изменение свойств вещества под влиянием температуры, давления, растворителей и других факторов. Такое учение способствовало организации производства синтетических материалов, искусственных волокон, каучуков и т.д. Одно из важных направлений учения о химических процессах – создание методов управления процессами. Подавляющее большинство химических реакций носит стихийный характер. В одних случаях их не удается осуществить, хотя они в принципе возможны, а в других – их исключительно трудно остановить (например, реакция горения и взрыва), в третьих – их невероятно трудно направить в желаемое русло, так как они сопровождаются самопроизвольным созданием многочисленных непредвиденных ответвлений с образованием побочных продуктов. Методы управления химическими процессами можно разделить на термодинамические, изучающие энергетику химических превращений, и кинетические, рассматривающие изменение химического процесса во времени. 5.3.1. Энергетика химических процессов В основе химической термодинамики, изучающей закономерности химических процессов в зависимости от изменения температуры и тепловых воздействий, лежат термодинамические методы. 138 Химическая реакция заключается в разрыве одних и образовании других связей, поэтому она сопровождается выделением или поглощением энергии в виде теплоты, света, работы расширяющихся газов. Переход системы из одного состояния в другое называется процессом. Различают следующие виды процессов: изотермические (T=const), изобарные (P=const), изохорные (V=const) . Химические реакции обычно протекают при постоянном давлении мер, в открытой колбе) или при постоянном объеме P (напри- V (например, в автоклаве), т.е. явля- ются соответственно изобарными или изохорными процессами. Известны две формы передачи энергии от одной системы к другой. Упорядоченную форму передачи энергии называют работой, неупорядоченную – теплотой. Предположим, что некоторая система за счет поглощения теплоты состояния 1 в состояние Q переходит из 2 . В общем случае эта теплота расходуется на изменение внутренней энергии системы dU (слагающейся из кинетической энергии движения со- ставляющих ее частиц – молекул, ионов, атомов, электронов и потенциальной энергии их взаимодействия) и на совершение работы внешних сил A: Q = dU + A Это уравнение выражает закон сохранения энергии – первое начало термодинамики. Для химических реакций под работой против внешних сил обычно подразумевается работа против внешнего давления. Для изобарных процессов она равна произведению давления на изменение объема при переходе ее из состояния 1 в состояние 2. Учитывая это обстоятельство, получим выражение теплового эффекта для изобарного процесса в виде: Q = dU +PdV, или Q = (U 2 + PV 2 ) –(U 1 + PV 1 ). Общепринятым является обозначение U+PV = H, где величину H называют эн- тальпией. Приращение энтальпии равно теплоте, полученной системой в изобарном процессе. Подавляющее большинство химических реакций происходит при постоянном давлении. Поэтому энергетический эффект реакции оценивают именно изменением энтальпии, или тепловым эффектом реакции. Химические реакции, при протекании которых происходит уменьшение энтальпии системы H, и во внешнюю среду выделятся тепло 139 Q, называются экзотермическими. Реак- ции, в результате которых энтальпия возрастает, и система поглощает теплоту извне, называют эндотермическими. В основе термохимических реакций лежит закон Гесса (1841): тепловой эффект зависит только от вида (природы) и состо яния исходных веществ и конечных продуктов, но не зависит от пути процесса, т.е. от числа и характера пр омежуточных стадий. Очевидно, что закон Гесса является следствием первого начала термодинамики. Закон Гесса имеет большое практическое значение, так как позволяет рассчитывать теплоты химических реакций. Значения энтальпии образования многих соединений известны с большой точностью. Пользуясь этими данными, можно на основании закона Гесса рассчитать тепловые эффекты многих реакций. 5.3.2. Химическая кинетика Химическая кинетика – раздел химии, задачей которого является объяснение качественных и количественных изменений химических процессов, происходящих во времени. Фундамент химической кинетики был заложен Я.Г. Вант-Гоффом (1852–1911) и С. А. Аррениусом (1859–1927) в 80-х годах XIX в. Обычно общую задачу химической кинетики разделяют на две, более конкретных: выявление механизма реакции – установление элементарных стадий процесса и последовательности их протекания (качественные изменения); количественное описание химических реакций – установление строгих соотношений, которые позволяют рассчитывать изменение количеств исходных реагентов и продуктов по мере протекания реакции. Таким образом, химическую кинетику можно определить как учение о скоростях и механизмах химических реакций. Кинетические уравнения (с учетом механизма реакции) получают только экспериментально. Установление механизмов реакций подразумевает их классификацию по молекулярности, которая определяется числом молекул, участвующих в элементарном акте. С этой точки зрения различают мономолекулярные, бимолекулярные, тримолекулярные реакции. Доказано, что столкновение более, чем трех молекул одновременно практически невозможно. 140 Основным понятием в химической кинетике является понятие скорости химической реакции. Скорость химической реакции определяется количеством вещества, прореагировавшего в единицу времени в единице объема. Скорость реакции зависит от природы реагирующих веществ от условий, в которых реакция протекает. Важнейшими из них являются: концентрация, температура и присутствие катализатора. Природа реагирующих веществ оказывает решающее влияние на скорость реакции. Так, например, водород с фтором реагируют очень энергично уже при комнатной температуре, тогда как с йодом – значительно медленнее, даже при нагревании. Основным постулатом химической кинетики является закон действующих масс: при постоянной температуре скорость химической реакции V, протекающей при столкновении двух частиц, пропорци ональна произведению концентраций C A и C B реагирующих веществ А и В: V = k C A C B , где k – константа скорости реакции. Закон действующих масс был сформулирован в 1864–1867 гг. Гульдбергом и Вааге. В химических методах изменение количества реагирующих веществ определяют непосредственно. Для этого реакцию быстро останавливают (путем резкого охлаждения, разбавления и т.д.), пробу анализируют и устанавливают в ней содержание реагента или продукта. В физико-химических методах скорость реакции определяют по изменению давления в закрытой системе, по изменению выделившегося газа, по изменению электрической проводимости и т.д. Зависимость скорости реакции от температуры была описана С. Аррениусом, который установил, что увеличение температуры приводит к увеличению числа активных молекул. Активными молекулами оказываются только такие, которые приобретают строго определенную для данной реакции энергию, превышающую среднюю энергию всех молекул. Такой минимальный избыток энергии (по сравнению со средней энергией), которым должны обладать частицы реагента для осуществления химического превращения, называется энергией активации E. Рассмотрение механизмов химических реакций в химической кинетике предполагает, что для осуществления реакции каждая пара молекул проходит через промежуточную неустойчивую конфигурацию, называемую активированным комплексом, распад которого приводит к образованию конечного продукта, например, протекание реакции типа A2+B2 = 2AB изображается схемой: 141 A B A + A A B B и с х о д н ые р е а г е нт ы A B а к т и в и р о в а н н ый к о мп л е к с A + B B пр о д у к т ы р е а к ции В общем случае в этой промежуточной конфигурации некоторые связи реагирующих молекул испытывают напряжение и разрываются в процессе взаимодействия, причем одновременно образуются новые связи. Изменение потенциальной энергии, сопровождающее реакцию, иллюстрирует рис. 4.8, где Eа – энергия активации, необходимая для образования активированного комплекса из молекул исходных реагентов. Энергия Eнач Ea Реагенты Продукты Хо д р еа кции Рис. 4.8. Изменение энергии реагирующей системы 5.3.3. Понятие о катализе и катализаторах Одно из наиболее сильных средств влияния на скорость реакции – присутствие в реагирующей системе катализатора. Катализатором называется вещество, изменяющее скорость химической реакции, но остающееся неизменным после того, как химическая реакция заканчивается. Катализ – явление, заключающееся в изменении скорости химической реакции под действием катализаторов. Согласно современным воззрениям, катализ обусловлен уменьшением энергии активации молекул ( Ea1 ) при их контакте с катализатором ( Ea2 ) так, как это показано на рис. 4.9: 142 Энерг ия Ea1 Ea2 Реагенты Продукты Ход реа кции Рис. 4.9. Изменение энергии реагирующей системы в присутствии катализатора и без него. Действие катализаторов является избирательным. Применяя разные катализаторы, можно получить из одного и того же вещества разные продукты, например: Определенный катализатор, изменяя скорость одной реакции, совершенно не оказывает влияния на скорость другой химической реакции. Поэтому должно быть понятным, что поиски, подбор, исследование и дальнейшее внедрение в практику все новых и новых катализаторов является одной из сложнейших и важнейших задач современной химии, так как роль катализаторов в химическом производстве очень велика. Перечислим лишь несколько химических производств, где используют катализаторы. В нефтяной промышленности для крекинга углеводородов (с помощью которого увеличивается выход бензина из керосина) и для реформинга (который приводит к перестройке структуры углеводородов и повышению октанового числа бензина). При переработке природного газа. При получении полимеров, искусственного каучука. При получении серной кислоты, аммиака, синтетического метилового и этилового спиртов и т.д. Катализ играет большую роль не только в химии, но и в биологии, так как практически все биохимические превращения, происходящие в живых организмах, являются каталитическими. В роли катализаторов в этом случае выступают ферменты – вещества биологического происхождения. Теория биохимических катализаторов – ферментов намного сложнее, чем теория химических катализаторов. 143 5.3.4. Реакционная способность веществ Как мы уже видели, способность к взаимодействию различных химических реагентов (реакционная способность) определяется не только их атомно-молекулярной структурой, но и условиями протекания химических реакций, к которым прежде всего относятся термодинамические факторы, характеризующие зависимость реакций от температуры, давления и некоторых других условий. В еще большей степени характер и особенно скорость реакций зависят от кинетических условий, которые определяются, прежде всего, наличием катализатора. Еще в конце XIX в. изучалось влияние растворителей на ход химических реакций. Выяснилось, что одна и та же реакция в разных растворителях протекает по-разному – с разными скоростями и выходом конечного продукта. Иногда растворитель оказывается инициатором реакции, – без него она просто не начиналась бы. В настоящее время считается общепринятым, что растворитель – непосредственный участник всякой химической реакции, является в одних случаях ее катализатором, т. е. веществом, ускоряющим реакции, а в других – ингибитором – веществом, снижающим скорость химического процесса. Опыты показывают, что стенки реактора участвуют в химическом взаимодействии реагентов. На интенсивность химических процессов оказывают влияние случайные примеси. Вещества различной степени чистоты проявляют себя в одних случаях как более активные реагенты, в других – как инертные. Примеси могут оказывать как каталитическое, так и ингибиторное действие. Поэтому для управления химическим процессом в реагирующие вещества вносят те или иные добавки. Таким образом, влияние растворителей, стенок реактора и случайных примесей на ход химических реакций может быть сведено и к катализу, т. е. к положительному воздействию на химический процесс, и к ингибированию, сдерживающему процесс. Говоря о катализаторах, следует отметить особый тип катализаторов, созданных самой природой, ферменты, или биокатализаторы. Без них возникновение и эволюция жизни на Земле были бы невозможны. Несмотря на то, что ферменты обладают общими свойствами, присущими всем катализаторам, они не тождественны им, поскольку функционируют в рамках живых систем. Поэтому все попытки использовать опыт живой природы для ускорения химических процессов в неорганическом мире наталкиваются на серьезные ограничениями. Речь может идти только о моделировании некоторых функций ферментов и использования этих моделей для 144 теоретического анализа деятельности живых систем, а также частично – практического применения выделенных ферментов для ускорения некоторых химических реакций. Тот факт, что катализ играл решающую роль в переходе от химических систем к биологическим в процессе биохимической эволюции (возникновения жизни на Земле), в настоящее время подтвержден многими данными и аргументами. Наиболее убедительные результаты связаны с опытами по самоорганизации химических систем, которые наблюдали наши соотечественники Б.П. Белоусов и А.М. Жаботинский. Такие реакции сопровождаются образованием специфических пространственных и временных структур за счет поступления новых и удаления использованных реагентов. Важное значение в указанных реакциях играют каталитические процессы. Роль этих процессов усиливается по мере усложнения состава и структуры химических систем. На этом основании некоторые ученые напрямую связывают химическую эволюцию с самоорганизацией и саморазвитием каталитических систем. 5.3.5. Обратимые реакции и состояние химического равновесия Химическая реакция не всегда "доходит до конца", другими словами, исходные вещества не всегда полностью превращаются в продукты реакции. Это происходит потому, что по мере накопления продуктов реакции могут создаваться условия для протекания реакции в противоположном направлении. Химические реакции, которые при одних и тех же условиях могут идти в противоположных направлениях, называются обратимыми. В обратимых реакциях скорость прямой реакции вначале имеет максимальное значение, затем уменьшается вследствие уменьшения концентрации исходных веществ. И наоборот, обратная реакция в начальный момент имеет минимальную скорость, которая увеличивается по мере нарастания концентрации продуктов реакции. Наконец наступает такой момент, когда скорости прямой и обратной реакции становятся равными. Состояние, в котором скорость обратной реакции становится равной скорости прямой реакции, называется химическим равновесием. Состояние химического равновесия при неизменных внешних условиях теоретически может сохраняться бесконечно долго. В реальной действительности, при изменении температуры, давления или концентрации реагентов, равновесие может "сместиться" в ту или иную сторону протекания процесса. В 1884 г. французский химик А. Ле Шателье (1850–1936) сформировал принцип подвижного равновесия – принцип Ле Шателье: внешнее воздействие на систему, 145 находящуюся в состоянии равновесия, приводит к смещению этого равнов есия в направлении, при котором эффект произведенного воздействия ослабл яется. Это означает, что внешнее воздействие на систему изменяет соотношение между скоростями прямого и обратного процесса, благоприятствуя тому, который противодействует внешнему воздействию. Знание различных закономерностей протекания химических реакций необходимо для успешного развития химической промышленности, в особенности, когда речь идет о многотоннажном производстве таких веществ, как минеральные удобрения, кислоты, аммиак, полиэтилен, синтетический каучук и т.д. Например, в промышленном способе синтеза аммиака из водорода и азота осуществляется обратимая реакция. Поэтому возникают вопросы, – при каких температурах и давлениях выгоднее всего добиваться установления равновесия в этой реакции. Поскольку реакция является экзотермической, то исходя из принципа Ле Шателье, ясно, что чем ниже температура, тем больше равновесное состояние будет сдвигаться в сторону образования аммиака. Однако при низких температурах реакция идет очень медленно, поэтому приходится принимать компромиссное решение – на практике процесс проводят при температуре порядка + 500С. Причем, даже при такой высокой температуре для достижения достаточной скорости реакции требуется присутствие специального катализатора. 5.3.6. Развитие химии экстремальных состояний Как мы уже знаем из рассмотрения каталитических реакций, под действием катализатора происходит ослабление исходных химических связей. Подобное действие можно ожидать при тепловом или радиационном воздействии, приводящем к повышению реакционной способности веществ и ускорению хода реакций. Вопросами энергетической активизации реагента занимается химия экстремальных состояний, которая включает плазмохимию, радиационную химию, химию высоких энергий, химию высоких давлений и высоких температур. Плазмохимия изучает процессы в низкотемпературной плазме. В плазмохимии рассматриваются процессы при температурах от +1000C до +10000С . Такие процессы характеризуются возбужденным состоянием частиц, столкновениями молекул с заряженными частицами и, что особенно важно, очень высокими скоростями реакций. В плазмохимических процессах скорость перераспределения химических связей очень высока: длитель146 ность элементарных актов химических превращений составляет около 10–13с при почти полном отсутствии обратимости реакции. Метановый плазмотрон с производительностью 75 т ацетилена в сутки имеет сравнительно крохотные размеры: длину 65 см и диаметр 15 см. Такой +З0003500C плазмотрон заменяет целый огромный завод. При температуре за одну десятитысячную долю секунды 80% метана превращается в аце- тилен. Степень использования энергии достигает 90–95%, а энергозатраты составляют не более 3 кВт ч на 1 кг ацетилена. Относительно недавно – в 1970-х годах – созданы плазменные сталеплавильные печи, выдающие высококачественный металл. Именно таким печам принадлежит будущее. Разработаны методы ионно-плазменной обработки поверхности инструментов, износостойкость которых увеличивается в несколько раз. Плазмохимия позволяет синтезировать такие ранее неизвестные материалы, как металлобетон, в котором в качестве связующего используется сталь, чугун, алюминий. При сплавлении частиц горной породы благодаря прочному сжатию их с металлом образуется металлобетон, превосходящий по прочности обычный бетон на сжатие в 10 раз и на растяжение в 100 раз. Радиационная химия – сравнительно молодая отрасль, ей немного более 40 лет. Первые опыты радиационной химии были связаны с облучением полиэтилена гамма-лучами. Прочность полиэтилена при этом существенно возросла. В настоящее время радиационная химия изучает превращение самых разнообразных веществ под действием ионизирующих излучений. Источниками ионизирующего излучения служат рентгеновские установки, ускорители заряженных частиц, ядерные реакторы, радиоактивные изотопы. Наиболее важными процессами радиационно-химической технологии являются полимеризация, вулканизация, производство композиционных материалов, в том числе композиций на древесной основе, закрепление лаков и других материалов на поверхности дерева и металла, получение полимербетонов путем пропитки обычного бетона тем или иным мономером с последующим облучением. Такие бетоны имеют в четыре раза более высокую прочность, обладают водонепроницаемостью и высокой коррозийной стойкостью. Принципиально новой и исключительно важной областью химии экстремальных состояний является самораспространяющийся высокотемпературный синтез тугоплавких и керамических материалов. Обычно крупномасштабное производство таких материалов осуществляется методом порошковой металлургии, суть которого заключается в прессовании и сжатии при высокой температуре металлических порошков. При этом температура долж147 на составлять +12002000C , а процесс спекания длится несколько часов. Гораздо проще реализуется самораспространяющийся синтез, основанный на реакции горения одного металла в другом или металла в азоте, углероде, кремнии и т.п. Чаще всего процесс горения представляется в виде соединения кислорода с горючим веществом: углем, нефтепродуктами, древесиной. В химии принято считать горение реакцией окисления горючего вещества, что с позиции окислительно-восстановительных реакций означает перемещение электронов от атомов восстановителя горючего тела к атомам окислителя кислорода. С этой точки зрения горение возможно не только в кислороде, но и в других окислителях. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез – тепловой процесс горения в твердых телах. Он представляет собой, например, горение порошка титана в порошке бора или порошка циркония в порошке кремния. В результате такого синтеза получены сотни тугоплавких соединений превосходного качества: карбиды металлов, бориды, алюминиды, селениды. ОСОБЕННОСТИ БИОЛОГИЧЕСКОГО УРОВНЯ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ 6. Познание сущности жизни – одна из основных задач естествознания. Дать научное определение жизни, указать принципиальное отличие живого от неживого очень сложно. Эта задача требует выяснения вопроса, в чем же именно заключается более высокое качество биологической формы существования материи, что приводит к поискам свойств, присущим живым телам и отсутствующих у неживых, выяснению особенностей эволюции, воспроизводства и развития живых систем. 6.1. Свойства живых систем По современным представлениям живой организм – это открытая, самообновляемая, саморегулируемая, самовоспроизводящаяся система, построенная из биополимеров и проходящая путь необратимого развития. Рассмотрим общие, характерные для всех живых организмов свойства и их отличия от похожих процессов, протекающих в неживой природе. Самообновление – свойство живых организмов осуществлять непрерывный обмен с окружающей средой энергией и веществом, благодаря которому происходит восстановление разрушенных компонентов и замена их новыми, подобными им. Живой организм использует внешние источники энергии (свет, пищу). Через живые системы, таким образом, проходят потоки веществ и энергии, поэтому они называются открытыми. Обмен веществ состоит из двух взаимосвязанных процессов – ассимиляции и диссимиляции. Ассимиляция – это процесс синтеза органических веществ в организме, а диссимиляция – процесс распа148 да сложных органических веществ с выделением энергии. Отметим, что в неживой природе также существует обмен веществами. Однако в небиологическом круговороте вещества просто переносятся с одного места на другое или изменяют агрегатное состояние. Саморегуляция – способность живых организмов, обитающих в непрерывно изменяющихся условиях окружающей среды, поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность течения физиологических процессов. Саморегуляцией в организмах поддерживается постоянство структурной организации – гомеостаз (от гр. homoios – равный, неизменный, stasis – состояние). Для всех живых существ характерно наличие механизмов, поддерживающих постоянство внутренней среды. Продукты жизнедеятельности могут оказывать сильное и строго специфическое тормозящее воздействие на те ферменты, которые составляют начальное звено в длинной цепи реакций. По принципу обратной связи регулируются процессы обмена веществ, репродукции, считывания наследственной информации. Самовоспроизведение – свойство живых организмов воспроизводить себе подобных, основанное на способности молекул ДНК передавать из поколения в поколение наследственную информацию о признаках, свойствах и функциях организмов. Благодаря этой способности не прекращается существование вида. В основе самовоспроизведения лежат реакции матричного синтеза, т.е. образования новых молекул и структур на основе информации, заложенной в структуре молекул ДНК. Наследственность – свойство живого организма, тесно связанное с самовоспризведением и заключающееся в способности живого организма передавать свои признаки и свойства, а также особенности развития из поколения в поколения. Изменчивость – способность организма приобретать новые признаки и свойства. Развитие – необратимое направленное закономерное изменение живых организмов, в результате которого возникает новое качественное состояние, изменяется его состав и структура. Развитие живых организмов представлено индивидуальным развитием или онтогенезом, и историческим развитием или филогенезом. Онтогенез – это вся совокупность преобразований организма от момента его зарождения до прекращения существования. На протяжении онтогенеза постепенно и последовательно проявляются индивидуальные свойства организмов. Развитие их сопровождается ростом. Филогенез, или эволюция, – это необратимое и направленное развитие живой природы, сопровождающееся образованием новых видов и прогрессивным усложнением жизни. Результатом эволюции является все многообразие живых организмов на Земле. 149 Раздражимость – неотъемлемая черта, свойственная всему живому, являющаяся выражением одного из общих свойств всех тел природы – свойства отражения. Раздражимость связана с передачей информации из внешней среды любой биологической системе (организм, орган, клетка) и проявляется реакциями этих систем на внешнее воздействие Благодаря этому свойству организмы избирательно реагируют на условия окружающей среды, способны извлекать из нее все необходимое для своего существования, а следовательно, с ними связан столь характерный для живых организмов обмен веществ, энергии и информации. Все живые организмы построены из биополимеров – высокомолекулярных природных соединений (белков, нуклеиновых кислот и т.д.), участвующих во всех процессах жизнедеятельности организма. В живом организме белки играют, в основном, роль структурных компонентов и катализаторов (ферментов), а нуклеиновые кислоты обеспечивают хранение и передачу наследственной информации. 6.2. Уровни организации живой природы Жизнь характеризуется диалектическим единством противоположностей: она одновременно целостна и дискретна (от лат. discretus – прерывистый). Органический мир целостен, так как составляет систему взаимосвязанных частей (существование одних организмов зависит от других), и в то же время дискретен. Он состоит из единиц – организмов, или особей. Каждый живой организм дискретен, так как состоит из органов, тканей, клеток, но вместе с тем каждый из органов, обладая определенной автономностью, действует как часть целого. Каждая клетка состоит из органоидов, но функционирует как единое целое. Наследственная информация осуществляется генами, но ни один из генов вне всей совокупности не определяет развитие признака и т. д. Жизнь связана с молекулами белков и нуклеиновых кислот, но только их единство, целостная система обусловливает существование живого. С дискретностью жизни связаны различные уровни организации органического мира. Первые представления о системах и уровнях их организации были заимствованы из опыта изучения живой природы и даже сейчас для иллюстраций системного подхода часто обращаются именно к живым системам, рассмотрению отдельных подсистем и элементов, выявлению различных структурных уровней организации живой природы. На разную степень организации живой природы обращали внимание ученые разных времен. В середине XX в. в биологии сложились представления об уровнях организации 150 как конкретном выражении упорядоченности, являющейся одним из основных свойств живого. Уровни организации живой природы можно определить как дискретные состояния биологических систем, характеризуемые соподчиненностью, взаимосвязанностью, специфическими закономерностями. В соответствии с данной концепцией структурные уровни различаются не только по классам сложности, но и по закономерностям функционирования. При этом каждый новый уровень характеризуется особыми свойствами и закономерностями прежнего, низшего уровня. Каждый организм, с одной стороны, состоит из единиц подчиненных ему уровней организации (органов, клеток, молекул), с другой – сам является единицей, входящей в состав надорганизменных биологических макросистем (популяций, биоценозов, биосферы в целом). На всех уровнях жизни проявляются такие ее атрибуты, как дискретность и целостность, структурная организация (упорядоченность), обмен веществом, энергией и информацией и т.д. Характер проявления основных свойств жизни на каждом из уровней имеет качественные особенности. Существование жизни на всех уровнях подготавливается и определяется структурой низшего уровня. Характер клеточного уровня организации определяется молекулярным и субклеточным уровнями, организменный – клеточным, тканевым, органным, популяционно-видовой – организменным и т. д. Следует отметить большое сходство дискретных единиц на низших уровнях и все возрастающее различие на высших уровнях. Рассмотрим кратко основные уровни организации живой природы. 6.2.1. Молекулярный уровень Молекулярный уровень – это уровень функционирования биополимеров (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов) и других важных органических соединений, являющийся началом основных процессов жизнедеятельности (обмена веществ и энергии, хранения и передачи наследственной информации). На молекулярном уровне обнаруживается удивительное однообразие дискретных единиц. Жизненный субстрат для всех животных, растений, вирусов составляет всего 20 одних и тех же аминокислот и 4 одинаковых азотистых основания, входящих в состав молекул нуклеиновых кислот. Близкий состав имеют липиды и углеводы. У всех организмов биологическая энергия запасается в виде богатых энергией аденозинфосфорных кислот (АТФ, АДФ, АМФ). Наследственная информация у всех живых организмов заложена в молекулах ДНК. Реализация наследственной информации осу151 ществляется при участии молекул РНК. В связи с тем, что с молекулярными структурами связано хранение, изменение и реализация наследственной информации, этот уровень иногда называют молекулярно-генетическим. 6.2.2. Клеточный уровень Клеточный уровень – это уровень, связанный со структурной и функциональной единицей всех живых организмов – клеткой. На клеточном уровне также отмечается однотипность всех живых организмов. У всех организмов только на клеточном уровне возможен биосинтез и реализация наследственной информации. Клеточный уровень у одноклеточных организмов совпадает с организменным. В истории жизни на нашей планете был такой период (первая половина архейской эры – 3,5 млрд. лет назад), когда все организмы находились на этом уровне организации. 6.2.3. Органно-тканевый уровень Тканевый уровень возник вместе с появлением многоклеточных животных и растений, имеющих дифференцированные ткани. Ткань представляет собой совокупность сходных по строению клеток, объединенных выполнением общей функции. Большое сходство между всеми живыми организмами сохраняется на тканевом уровне. Всего лишь 5 основных тканей входят в состав органов всех многоклеточных животных и 6 основных тканей образуют органы растений. Совместно функционирующие клетки, относящиеся к разным тканям, составляют органы. Например, кожа человека как орган включает эпителий и соединительную ткань, которые вместе выполняют целый ряд функций; среди них наиболее значительная – защитная. 6.2.4. Организменный уровень Организменный уровень связан с функционированием живого организма как единого целого. Единицей организменного уровня является особь, которая рассматривается как живая система от момента ее зарождения до смерти. На организменном уровне обнаруживается труднообозримое многообразие живых организмов. В настоящее время на Земле обитает более миллиона видов животных и около полумиллиона видов высших растений. Каждый вид состоит из отдельных индивидуумов, особей. 6.2.5. Популяционно-видовой уровень Популяционно-видовой уровень связан с совокупностью живых организмов одного вида, объединенных общим местом обитания и составляющих популяцию. Видом называют со152 вокупность особей, сходных по строению и физиологическим свойствам, имеющих общее происхождение, могущих свободно скрещиваться и давать плодовитое потомство. Популяционный уровень начинается с изучения взаимосвязи и взаимодействия между особями одного вида, которые имеют один генофонд, и занимают единую территорию. Популяционный уровень выходит за рамки отдельного организма, и поэтому его относят к надорганизменным уровням организации. По современным воззрениям именно популяции служат элементарными единицами эволюции. Популяции представляют собой незамкнутые открытые системы, которые могут существовать и развиваться только при взаимодействии с другими популяциями. Определить границу между популяциями чрезвычайно трудно, т.к. в силу подвижности организмов, составляющих популяцию, происходит непрерывное перемешивание ее населения. 6.2.6. Биогеоценотический и биосферный уровни Биогеоценозы – исторически сложившиеся устойчивые сообщества популяций разных видов, связанных между собой и с окружающей неживой природой обменом веществ, энергии и информации. Это совокупности всех живых организмов, населяющих однородный участок земной поверхности и факторы окружающей среды (приземный слой атмосферы, почва, солнечная энергия), представляющие собой единый природный комплекс. Биогеоценозы составляют биосферу и обусловливают все процессы, протекающие в ней. Биосфера является системой высшего порядка, охватывающая все явления жизни на нашей планете. Биологический обмен веществ – это тот фактор, который объединяет все нижележащие уровни организации в биосферу. На этом уровне происходит круговорот веществ и превращение энергии, связанные с жизнедеятельностью всех живых организмов, обитающих на Земле. Только при комплексном изучении явлений жизни на всех уровнях можно получать целостное представление об особой (биологической) форме существования материи. 6.3. Клетка – структурная и функциональная единица живых организмов Клетка – элементарная биологическая система, способная к самообновлению, самовоспроизведению и развитию, т.е. наделенная всеми признаками живого организма. Клетка является наименьшей самостоятельной единицей строения, функционирования и развития живого организма. 153 Клеточные структуры лежат в основе строения любого живого организма, каким бы многообразным и сложным не представлялось его строение. Большинство растений и животных состоят из многих клеток; они получили название многоклеточных. У многоклеточных организмов клетки образуют ткани, входящие в состав органов. Жизнедеятельность клеток у многоклеточных организмов подчинена координирующему влиянию целостного организма. Предпосылкой открытия клетки было изобретение микроскопа и его использование для исследования биологических объектов. В 1665 г. английский физик Р. Гук (1635–1703), рассматривая под микроскопом срез клетки, обнаружил, что она состоит из ячеек, напоминающих по строению пчелиные соты. Эти образования Гук назвал клетками (от лат. cellula – ячейка, клетка). Такое же строение Гук отметил в сердцевине бузины, камыша и некоторых других растений. Во второй половине XVII в. появились работы ряда микроскопистов, также обнаруживших ячеистое строение многих растительных объектов. Голландский естествоиспытатель А. Левенгук (1632–1723) впервые обнаружил в воде одноклеточные организмы. Внимание микроскопистов привлекала, в первую очередь, клеточная оболочка. Лишь во втором десятилетии ХIХ в. исследователи обратили внимание на полужидкое студенистое содержимое, заполняющее клетку. Чешский ученый Я. Пуркине (1787–1869) назвал это вещество протоплазмой (от гр. protos – первый, plasma – образование). Однако еще продолжало существовать убеждение, что оболочка, а не протоплазма является основной, главнейшей частью клетки. В 1831 г. английский ботаник Б. Броун (1773–1858) обнаружил в клетке ядро. Его открытие было важной предпосылкой для установления сходства между клетками растений и животных. 6.3.1. Клеточная теория Клеточная теория, объединившая идеи многих ученых и постулировавшая, что клетка является основной структурной и функциональной единицей живых организмов, была впервые сформулирована 1838 г. немецким ученым Т. Шванном (1818–1882). Шванн нашел верный принцип сопоставления клеток растительных и животных организмов. Он установил, что хотя клетки животных крайне разнообразны и значительно отличаются от клеток растений, ядра во всех клетках обладают большим сходством. Если в каком-либо видимом под микроскопом образовании присутствует ядро, это образование, по мнению 154 Шванна, можно считать клеткой. Основываясь на таком критерии, Шванн выдвинул основные положения клеточной теории: клетка является главной структурной единицей всех организмов (растительных и животных); процесс образования клеток обусловливает рост и развитие тканей и организмов. В 1858 г. немецкий ученый Р. Вирхов (1821–1902) дополнил клеточную теорию важным положением о том, что клетка может происходить только от клетки в результате ее деления. Со времени создания клеточной теории учение о клетке как элементарной микроскопической структуре организмов непрерывно развивалось. Для Шванна и его современников клетка оставалась преимущественно пространством, ограниченным оболочкой. Постепенно эти представления заменило понимание того, что основным субстратом является протоплазма. К концу прошлого века благодаря успехам микроскопической техники было обнаружено сложное строение клетки, описаны органоиды – части клетки, выполняющие различные функции. Применение электронной микроскопии позволило изучить тонкое строение всех структур клетки, что дополнило клеточную теорию новыми данными. Современная клеточная теория включает следующие положения: клетка – основная структурно- функциональная и генетическая единица живых организмов, наименьшая единица живого; клетки всех одноклеточных и многоклеточных организмов сходны по строению, химическому составу и важнейшим проявлениям процессов жизнедеятельности; каждая новая клетка образуется в результате деления исходной (материнской) клетки; клетки многоклеточных организмов специализированы: они выполняют разные функции и образуют ткани. Клетку считают открытой элементарной живой системой. Клетка отграничена от окружающей среды клеточной мембраной, а внутри нее выделяется более плотное ядро, находящееся в полужидкой цитоплазме. Клетка обладает всеми признаками живого: самовоспроизведением, саморегуляцией, историческим развитием, информационным отражением. В клетках происходят процессы обмена веществ и превращения энергии. Достижения цитологии (науки о клетках) связаны с применением физических и химических методов: электронного микроскопа, рентгеноструктурного анализа и других. Увели- 155 чение в сотни тысяч раз позволяет увидеть мельчайшие детали внутреннего строения клеток, а современные методы химического анализа – установить химический состав клеток. 6.3.2. Химический состав клеток Установлено, что клетки всех живых организмов сходны по химическому составу – особенно велико содержание в клетках водорода, кислорода, углерода и азота (эти элементы составляют более 98% от всего содержимого клетки). Остальные 2% составляют примерно 50 химических элементов. Клетки живых организмов содержат неорганические вещества – воду (в среднем до 80 %) и минеральные соли а также – органические соединения : 90% сухой массы клетки приходится на биополимеры – белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды. Белки регулируют обмен веществ клетки, нуклеиновые кислоты – хранители наследственной информации. Липиды (жиры и жироподобные вещества) выполняют энергетическую роль, участвуют в процессах обмена веществ и размножения клеток. Углеводы служат источником энергии, строительным материалом (клеточная стенка у растений состоит в основном из полисахарида целлюлозы) и выполняют запасающую функцию, накапливаясь в качестве резервного продукта. Белки – это биополимеры, мономерами которых являются аминокислоты. Все белки живых организмов построены из 20 аминокислот. Несмотря на это разнообразие белковых молекул огромно. Аминокислоты содержат в себе как кислотную группу СООН, так и щелочную группу NH2. Благодаря этому аминокислоты легко соединяются между собой. Молекулы разных белков сильно различаются по массе, содержанию разных аминокислот и порядку их расположения. Поэтому молекулярная масса белков колеблется от десятков тысяч до десятков миллионов. Изменение последовательности даже одной пары аминокислот влечет изменение свойств исходного белка и превращение его в новый. Установлено, что белки сами по себе, без контролирующего воздействия нуклеиновых кислот, размножаться не могут. Нуклеиновые кислоты имеют первостепенное биологическое значение и представляют собой сложные биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды, резко отличающиеся от аминокислот. Нуклеотиды включают три компонента: азотистое основание, углевод и остаток фосфорной кислоты. Разнообразие их сочетаний определяет индивидуальную природу нуклеиновых кислот. Существует два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота ( ДНК ) и рибонуклеиновая кислота ( РНК ). 156 ДНК расположена главным образом в ядре клетки, а РНК – преимущественно в цитоплазме. ДНК является хранителем наследственной информации. Наследственная информация в ДНК определяется порядком взаимного расположения в них азотистых оснований, который воспроизводится в дочерних молекулах. РНК в качестве посредников помогают передаче генетической информации в процессе биосинтеза белка. Если при этом будет поврежден какой-либо нуклеотид в молекуле ДНК, то не будет образован тот белок-фермент, за синтез которого отвечает ДНК, а это повлечет нарушение нормального обмена веществ клетки и сделает ее неполноценной. 6.3.3. Клеточные и неклеточные формы жизни На определенной ступени эволюции органического мира возникли клеточные структуры. В этом проявляется одна из основных закономерностей, характеризующих живое, – единство дискретного и целостного. Именно благодаря клеточному строению организм, являясь дискретным, сохраняет целостность. Расчленение целого организма на мелкие морфологические единицы – клетки, обладающие большими поверхностями, весьма благоприятно для осуществления обмена веществ. Клеточная структура, не нарушая жизнедеятельности целого организма, способствует постепенной замене отмирающих или патологически измененных частей тела новыми. Сохранение клеточной структуры во всем органическом мире обусловлено тем, что только она обеспечивает наилучшее хранение, репродукцию и передачу наследственной информации; только такая структура обеспечивает реализацию наследственной информации для синтеза белка. Только с клеточной структурой связана способность организмов хранить и переносить энергию и превращать ее в работу. Наконец, разделение функций между клетками в многоклеточном организме обеспечило широкие возможности приспособления организмов к среде обитания. Во всем многообразии органического мира можно выделить две резко отличные группы – неклеточные и клеточные формы жизни. К неклеточным формам относятся вирусы, проявляющие жизнедеятельность только в стадии внутриклеточного паразитизма. Вирусы были обнаружены в 1892 г. русским ученым Д.И. Ивановским (1864–1920). Вирусы представляют собой простейшую форму жизни на Земле, занимающую пограничное положение между живой и неживой природой. Они могут проявлять свойства живых организмов, только попав в их клетки. Способность к размножению и связанные с ней наследственность и изменчивость вирусы проявляют лишь в живой клетке хозяина. Особенности вирусов заключаются в их незначительных размерах 157 (20–2000 нм), отсутствие клеточного строения, обмена веществ и энергии. Но самым характерным критерием является наличие у вирусов только одной нуклеиновой кислоты – РНК или ДНК (у всех остальных живых организмов всегда имеются и ДНК, и РНК), Вирусы не способны сами синтезировать белки; способ размножения вирусов значительно отличается от размножения других организмов. Вирусы не растут. В настоящее время описано около 3000 вирусов, поражающих клетки бактерий, растений, животных и человека. Они являются возбудителями ряда опасных заболеваний. Основную массу живых существ составляют организмы, обладающие клеточной структурой, которые в свою очередь делятся на две категории: не имеющие оформленного ядра – прокариоты, и обладающие оформленным ядром – эукариоты. К прокариотам относятся бактерии и сине-зеленые водоросли, к эукариотам – все остальные животные и растительные организмы. Прокариоты имеют по одной хромосоме, представленной молекулой ДНК. Клетки эукариот имеют ядра, содержащие хромосомы в виде соединения ДНК и белков. Таково большинство современных растений и животных. С наличием ядра совершеннее стал процесс деления клеток. В многоклеточных организмах клетки стали подразделяться на специализированные и неспециализированные. Дифференцированные клетки хорошо приспособлены к какой-либо одной функции. Поэтому жизненный процесс может быть обеспечен лишь взаимодействием разных клеток. 6.4. Систематика живой природы Исторически биология развивалась как описательная наука о многообразных формах и видах растительного и животного царства. Поэтому важнейшее место заняли в ней методы анализа, систематизации и классификации огромного эмпирического материала, накопленного натуралистами. Первые классификации – система Карла Линнея (1707–1778), а также классификация животных Жоржа Бюффона (1707–1788) – носили в значительной мере искусственный характер, поскольку не учитывали происхождения и развития живых организмов. Тем не менее, они способствовали объединению всего известного биологического знания, его анализу и исследованию причин и факторов происхождения и эволюции живых организмов. Без такого исследования невозможно было бы перейти на новый уровень познания, когда объектами изучения биологов стали живые структуры сначала на клеточном, а затем на молекулярном уровне. Кроме того, обобщение и систематизация знаний об отдельных видах и родах растений и животных способствовали поиску естественных оснований класси158 фикации и развитию теории эволюции. Такие попытки создания естественной классификации, опирающиеся принципы эволюции предпринимались Ж.Б. Ламарком (1744–1829) и Э.Ж. Сент-Илером (1772–1844). Не подлежит сомнению, что они послужили важной вехой на пути создания первой научной теории эволюции видов растений и животных Чарльзом Дарвиным (1809–1882). Систематика живой природы является наукой о классификации, в рамках которой живым организмам присваивают наименования и объединяют их в группы, или таксоны, на основе определенных отношений между ними (родственных связей, происхождения). Основными иерархическими единицами, принятыми в современной систематике живой природы, являются следующие систематические категории, называемые в биологии таксономическими категориями: Н а д ц а р ст в о Ц а р ст в о Т и п К л а сс От р я д С емей ст в о Р о д Ви д Cамой низкой таксономической категорией в систематике живой природы является вид – наиболее естественное объединение живых организмов. Современная систематика живой природы выделяет два надцарства – прокариоты (организмы, клетки которых не имеют оформленного ядра) и эукариоты (организмы, клетки которых содержат оформленные ядра), причем, надцарство прокариоты содержит царство бактерий и сине-зеленых водорослей, а надцарство эукариоты – царства растений, животных, грибов (рис. 5.1). Ж И ВЫ Е ОР Г А Н И З М Ы Прока риоты Эука риоты Ба ктерии и синезеленые водоросли Ра стения Грибы Животные Рис. 5.1. Систематика живой природы. 6.5. Генетика Представители любого биологического вида производят подобные себе существа. Это свойство потомков быть похожими на своих предков называется наследственностью. Од159 нако родственные особи в большей или меньшей степени отличаются от своих родителей. Это свойство потомков называется изменчивостью. Изучением явлений наследственности и изменчивости занимается наука генетика. Таким образом, генетика – область биологии, изучающая наследственность и изменчивость – универсальные свойства живых организмов. Наследственность и изменчивость реализуются при передаче генетической информации от родителей к потомкам. Генетика как наука решает следующие основные задачи: * изучение способов хранения генетической информации у разных организмов (вирусов, бактерий, растений, животных, человека) и ее материальные носители; * анализ способов передачи наследственной информации от одного поколения клеток и организмов к другому; * выявление механизмов и закономерностей реализации генетической информации в процессе индивидуального развития; * изучение закономерностей и механизмов изменчивости и ее роли в приспособительных реакциях и в процессе эволюции; * поиск путей исправления поврежденной генетической информации. Первый научный шаг в изучении наследственности был сделан чешским естествоиспытателем Грегором Менделем (1822–1884), который в 1866 г. опубликовал статью, заложившую основы современной генетики. Мендель показал, что наследственные задатки не смешиваются, а передаются от родителей к потомкам в виде дискретных единиц наследственности. В 1909 г. датский биолог В.Л. Иогансен (1857–1927) назвал эти единицы генами, а в 1912 г. американский генетик Т. Г. Морган (1866–1945) показал, что они находятся в хромосомах. 6.5.1. Законы Менделя Исходные законы наследственности были открыты в 1865 г. чешским естествоиспытателем Г. Менделем и известны как закон единообразия первого поколения гибридов, закон расщепления и закон независимого комбинирования признаков. Эти законы были установлены Менделем в результате его опытов по скрещиванию гороха, при котором родительские формы анализировались по одной паре альтернативных признаков (например, желтая и зеленая окраска семян у двух скрещиваемых сортов гороха) либо по двум парам признаков (например, желтые гладкие семена и зеленые морщинистые). Такое скрещивание называется соответственно моногибридным или дигибридным. Опыты Менделя – образец 160 спланированного эксперимента с тщательной обработкой данных. Однако результаты опытов Менделя, опубликованные в малоизвестном австрийском журнале, не вызвали интереса у современников и игнорировались в течение более, чем 30 лет. В 1900 г. эти законы были повторно открыты независимо друг от друга голландским ботаником и генетиком. Де Фризом (1848–1935), австрийским генетиком Э. Чермаком (1871–1962) и немецким ботаником К. Корренсом (1864–1933). Надо отдать должное этим ученым, когда работа Менделя были найдена, его приоритет был восстановлен, и основные законы наследственности стали называться его именем. Закон единообразия первого поколения гибридов – первый закон Менделя – устанавливает, что при скрещивании двух чистых особей, различающихся по одной паре признаков, гибриды первого поколения проявляют лишь один признак, например, при скрещивании двух сортов гороха с желтыми и зелеными семенами в первом поколении гибридов все семена имеют желтую окраску. Этот признак, проявляющийся в первом поколении гибридов, называется доминантным. Второй признак (зеленая окраска семян гороха), названный рецессивным признаком, в первом поколении гибридов подавляется. Закон расщепления – второй закон Менделя – устанавливает, что при моногибридном скрещивании гибридов первого поколения их потомство (второе поколение гибридов)дает расщепление по анализируемому признаку в отношении 3:1. В примере со скрещиванием двух сортов гороха с желтыми и зелеными семенами во втором поколении гибридов произойдет расщепление: появятся растения с зелеными семенами (рецессивный признак), однако количество зеленых семян будет в три раза меньше количества желтых семян (доминантный признак). Закон независимого комбинирования признако,в – третий закон Менделя, – утверждает, что каждая пара альтернативных признаков ведет себя в ряду поколений независимо друг от друга, в результате чего среди потомков второго поколения в определенном соотношении появляются особи с новыми (по отношению к родительским) комбинациям признаков. Так, при дигибридном скрещивании двух сортов гороха с желтыми гладкими семенами и зелеными морщинистыми во втором поколении гибридов по внешним признакам (т.е. по фенотипу) выявляются четыре группы особей (желтые гладкие семена, желтые морщинистые, зеленые гладкие, зеленые морщинистые) в количественном соотношении: 9:3:3:1. Открытие законов Менделя ознаменовало первый этап развития генетики. Вторым крупнейшим этапом в истории генетики явилось обоснование в начале 20-х годов XX в американским ученым Т.Г. Морганом хромосомной теории наследственности, 161 представляющей собой учение о локализации наследственных факторов (генов) в хромосомах клеток. 6.5.2. Хромосомная теория наследственности Наблюдая делящуюся клетку под микроскопом особенно после соответствующей фиксации и окраски, можно видеть в ее ядре продолговатые темные тельца, названные хромосомами. Как показали дальнейшие исследования, основная роль в передаче наследственной информации принадлежит именно хромосомам клеточного ядра. В 1911–1926 гг. американский генетик Т.Г. Морган сформулировал хромосомную теорию наследственности, включающую в себя ряд положений, в частности следующие утверждения: * гены находятся в хромосомах (органоидах клеточного ядра), располагаются в хромосоме линейно, причем каждый ген занимает строго определенное место, называемое локусом; * так как хромосомы парны, то каждому гену одной хромосомы соответствует парный ген другой хромосомы (гомолога), локализованный в таком же локусе. Каждая хромосома состоит из центральной нити, именуемой хромонемой, вдоль которой расположены структуры (типа вздутий) – хромомеры. Хромосомы приобретают такой вид только во время деления клетки, в другое же время они имеют вид тонких темноокрашенных нитей, называемых хроматином. Когда хромомеры были впервые открыты, многие биологи сочли, что это – гены (наследственные факторы). Однако дальнейшие исследования показали, что между хромомерами и генами нет полного соответствия: некоторые хромомеры содержат по несколько генов, а некоторые гены оказались локализованными между хромомерами. В каждой клетке любого организма данного вида содержится определенное число хромосом. У человека их 46. У других видов животных количество хромосом может быть различным, но определенным и постоянным для данного вида. Так, например, у одного из круглых червей в каждой клетке имеется лишь по 2 хромосомы, тогда как у некоторых ракообразных содержится до 200 хромосом. У большинства видов число хромосом варьируется от 10–15 до 50. Хромосомы всегда парны. В клетке всегда имеется по две хромосомы каждого вида. Так, у человека имеется 23 пары хромосом. Пары отличаются друг от друга 162 по длине, форме, и наличию утолщений и перетяжек. В большинстве случаев хромосомы достаточно разнятся, чтобы цитолог мог отличить пары хромосом друг от друга. Важнейшим понятием генетике является понятие “ген”. Ген вначале представляли чисто формально, вроде счетной единицы. Потом установили, что ген – участок цепочки ДНК и он сам имеет сложную структуру. Структура макромолекул ДНК дает основу для практически бесконечного количества комбинаций, контролирующих включение аминокислот в белковую молекулу. Число возможных различных сочетаний четырех органических оснований по длине цепочки ДНК составляет гигантскую величину 410000, которая превышает число атомов в Солнечной системе. На основе такого разнообразия действительно может возникнуть практически бесконечное число наследственных изменений, обеспечивающих эволюцию и разнообразие органического мира. Наследственность обеспечивает преемственность живого на Земле, а изменчивость – многообразие форм жизни. И то, и другое связано неразрывно. 6.5.3. Изменчивость Совокупность различий по тому или иному признаку между живыми организмами, принадлежащими к одной и той же природной популяции или виду, называется изменчивостью. По механизмам возникновения и характеру изменений признаков генетика различает основные формы изменчивости: наследственную (генотипическую), и – ненаследственную (модификационную, или фенотипическую). Под генотипом понимают наследственную структуру организма. Понятие же фенотипа обозначает совокупность доступных наблюдений индивидуальных признаков особи. Изменчивость, связанная с изменением фенотипа в результате воздействия окружающей среды, без изменения генотипа, называется ненаследственной, или модификационной изменчивостью. Дарвин назвал модификационную изменчивость определенной, т.к. все особи данного вида, попав в сходные условия, изменяются одинаково, т.е. такая изменчивость предсказуема. Например, все овцы, выращиваемые в более холодных условиях, будут иметь более густую шерсть. Изменчивость, связанная с изменением генотипа, называется генотипической изменчивостью. Генотипическая изменчивость передается по наследству, и подразделяется на комбинативную и мутационную (рис. 5.2.). 163 Изменчивость Наследственная изменчивость Комбинативная изменчивость Ненаследственная изменчивость Мутационная изменчивость Рис. 5.2. Схема основных форм изменчивости. Комбинативная изменчивость связана с получением новых комбинаций генов, имеющихся в генотипе. Сами гены при этом не изменяются, но возникают их новые сочетания, что приводит к появлению организмов с другим генотипом и, следовательно, фенотипом. Опыты Менделя по дигибридному скрещиванию, связанные с открытием закона независимого комбинирования признаков, являются примером проявления изменчивости, обусловленной перекомбинацией генов, т.е. комбинативной изменчивости. Наиболее ярко наследственная изменчивость проявляется в мутациях – перестройках наследственного основания, генотипа организма. Мутационная изменчивость – это скачкообразное и устойчивое изменение генетического материала, передающееся по наследству. Термин "мутация" предложен голландским генетиком Г. де Фризом в 1901 г. Мутации – это вновь возникшие изменения генетического материала. Мутации обладают следующими свойствами: * возникают внезапно, скачкообразно; * передаются из поколения в поколение (т.е. наследуются); * ненаправленны (т. е. под действием одного фактора может мутировать любой участок хромосомы); * одни и те же мутации могут возникать повторно. Факторы, способные вызывать мутации, называются мутагенными. Их подразделяют на физические (различные виды ионизирующих излучений, температура), химические (формалин, аналоги азотистых оснований, иприт, некоторые лекарства и др.) и биологические (вирусы, бактерии). По исходу для организма все мутации подразделяются на отрицательные, – летальные (т.е. не совместимые с жизнью), полулетальные (снижающие жизнеспособность организма), нейтральные, и положительные (повышающие приспособляемость и жизнестойкость организма). Положительные мутации встречаются относительно редко, но именно они, как 164 это будет показано дальше, являются элементарным материалом, лежащим в основе прогрессивной эволюции. По изменению генетического материала мутации подразделяются на геномные, хромосомные и генные. Геномные мутации обусловлены изменениями количества хромосом. Например, у человека лишняя хромосома в 21-й паре приводит к развитию болезни Дауна (полулетальные мутации). Хромосомные мутации связаны с изменением структуры хромосом. Это может быть потеря участка или удвоение фрагмента хромосомы и т.д. Многие хромосомные мутации снижают жизнеспособность организма, т.е. являются полулетальными. Генные мутации связаны с изменением молекулярной структуры генов, т.е. структуры молекулы ДНК. Важно понять, что мутации сами по себе не являются приспособительными изменениями, непосредственно направленными на выживание организмов в данных определенных условиях. Они возникают случайно, хотя и под воздействием внутренней и внешней среды, т.е. не беспричинно. Они зависят от условий среды и могут быть получены специальным воздействием мутагенных факторов. 6.5.4. Генетика человека Генетика человека изучает законы наследственности и изменчивости человека как индивида, популяции и вида. В генетике человека применяются специальные методы исследования: * изучение культур тканей; * статистический сбор материалов о распространении отдельных признаков в различных популяциях; * изучение генеалогий отдельных семей; * изучение однояйцовых близнецов. Кратковременные культуры тканей (чаще всего лейкоцитов и клеток костного мозга) применяются обычно для определения чисел хромосом. При помощи этого метода установлено, что у человека имеются 23 пары хромосом, причем в это число входит одна пара половых хромосом: ХХ – у женщин и XY – у мужчин. В настоящее время налажено промышленное выращивание длительных культур тканей человека и получение с их помощью вакцин и сывороток для предотвращения и лечения многих тяжелых болезней. 165 Длительные культуры тканей широко используются в генетических исследованиях для выяснения их устойчивости к ядовитым веществам, ионизирующей радиации, вирусам и бактериям, при определении частоты генных мутаций и т.д. Метод статистического анализа распространения отдельных наследственных признаков в популяциях людей в различных странах позволяет выявить определенные закономерности в геногеографии популяций людей, связанных с их историей. Метод близнецов применяется для изучения влияния внешней среды на проявление признаков, контролируемых отдельными генами. Частота появления близнецов (двойни, тройни и т.д.) у людей колеблется в интервале от 1,79% до 0,8%. Среди двоен около 1/3 – однояйцовые и 2/3 – разнояйцовые близнецы. У однояйцовых близнецов отсутствует тканевая несовместимость и поэтому у них легко осуществимы пересадки тканей и органов. Установлено также, например, что когда одна пара однояйцевых близнецов жила в совершенно одинаковых условиях, они сохранили полное сходство, а близнецы, жившие в резко различных условиях, стали заметно отличаться друг от друга. У человека изучен характер наследования свыше 2 тыс. отдельных генов, но это только очень небольшая доля общего количества имеющихся у него генов. После установления наследственной природы изучаемого признака приступают к генетическому и статистическому анализу родословной. Это позволяет установить, к какому из трех известных типов наследования, – аутосомно-доминантному, аутосомно-рецессивному или сцепленному с полом – подчиняется передача исследуемого признака. Для аутосомно-доминантного типа наследования характерна прямая передача признака от одного родителя ребенку, причем оба пола наследуют этот признак с равной вероятностью. Так наследуется свыше 900 болезней и пороков развития, включая глухоту, короткопалость, шестипалость, врожденные пороки сердца и др. Вероятность наследования дефектного гена – 50%. При аутосомно-рецессивном типе наследования исследуемый признак может проявляться не в каждом поколении. У здоровых родителей могут родиться дети, больные наследственным заболеванием и т.п. Если оба родителя являются носителями дефектного гена, в среднем один ребенок из четырех может унаследовать два дефектных гена (значит, и болезнь), а двое из четырех могут быть носителями дефектного гена без проявления болезни. Таким образом, аутосомно-рецессивно наследуется около 800 заболеваний, в том числе альбинизм, различные анемии, многие нарушения обмена веществ и т.д. 166 Наследование признаков, сцепленных с полом, полностью подчиняется закономерностям распределения у потомков половых хромосом. Наиболее часто патологические признаки бывают сцеплены с X-хромосомой. В этих случаях наследственное заболевание проявляется почти исключительно у мужчин, лица же женского пола могут быть носителями дефектного гена. Мать – носительница дефектного гена – передает его половине сыновей, у которых проявится наследственное заболевание. Больной наследственным заболеванием отец может передать дефектный ген половине дочерей, которые будут его носителями, а все его сыновья будут здоровы. Так наследуется, например гемофилия (несвертываемость крови), некоторые формы задержки психического развития и др. Дефектный ген, сцепленный с Yхромосомой, наследуется только по мужской линии; он передается от отца всем сыновьям, но ни одна из дочерей его не наследует. Составление и анализ родословной является единственным методом определении риска наследственного заболевания. Исследования показали, что число хромосом у современных людей не является совершенно одинаковым. С небольшой, но устойчивой частотой встречаются отклонения от диплоидного числа хромосом (2n = 46). Такие отклонения чаще всего встречаются у людей с различными наследственными заболеваниями, но бывают и у здоровых людей. Обычно изменение общего числа хромосом связано с добавлением или недостачей половых хромосом. У человека Y-хромосома генетически активна, а мужской пол зависит от наличия Yхромосомы независимо от количества X-хромосом. Обычно у мужчин имеется одна Yхромосома и одна X-хромосома, но иногда у них появляется не одна, а две или более Xхромосом, что вызывает ослабление первичных и вторичных половых признаков и другие аномалии. Генетика человека претерпевает процесс дифференциации на более частные и прикладные науки. Среди них медицинская генетика и медико-генетические консультации. Медицинская генетика помогает своевременно распознавать и лечить не только наследственные болезни, но и многие инфекционные, травматические и профессиональные заболевания, так как симптомы и прогноз лечения их во многом зависят от генотипа больных. Медикогенетические консультации помогают уменьшить опасность рождения детей с наследственными болезнями, предостерегают от заключения браков между близкими родственниками и между носителями наследственных болезней. 167 6.5.5. Генная инженерия и биоэтика Генная инженерия, – область молекулярной генетики, возникшая в 70-х годах XX в. и связанная с разработкой методов получения генов или генетических структур и внедрением их в новое генетическое окружение с целью создания живых организмов с новыми заранее предопределенными признаками. Генная инженерия предполагает использование научных биологических методов изменения и преобразования генетического материала с целью изменения каких-либо черт наследственности. В 1953 г. был зафиксирован колоссальный прорыв науки в познании структуры живой материи. Американский ученый Дж. Уотсон (р.1928) и английский ученый Ф. Крик (р.1916) раскрыли структуру носителя наследственности всего живого на Земле – ДНК. Была раскрыта величайшая тайна природы – зашифрованная программа наследственности. Способ, которым молекулы ДНК сохраняют и передают информацию, необходимую живому организму для построения белков и выполнения определенных биохимических функций, получил название генетического кода. Каждый из примерно 100 000 генов человеческого организма состоит из четырех одинаковых оснований: аденина ( А ), цитозина ( С ), гуанина ( G ) и тимина ( Т ), расположенных в определенной последовательности, которая и определяет функцию того или иного гена. Характер наследственности записывается с помощью букв генетического кода ( А,С,G,T ), повторяющихся многие миллионы раз в разных сочетаниях вдоль нитей ДНК. Перечисленные четыре основания всегда соединяются попарно и создают две нити молекулы ДНК, имеющие вид скрученной спирали, называемой двойной спиралью. Ученые, расшифровав генетический код, смогли проникнуть в информацию, записанную на нитях ДНК. В этом коде имеется четкое химическое описание определенного живого организма: гены управляют химизмом жизненных процессов, и определяют все врожденные характеристики организма – от группы крови до цвета глаз. Как только исследователи научились понимать генетический код, неизбежным следующим шагом было попытаться изменить этот код – совершить инженерное вмешательство в генетику. При получении рекомбинаторных ДНК используются специализированные ферменты, позволяющие "отрезать" ген, взятый из одного организма, и вживить его в другой. Если такой перенос будет успешным, то организм получит информацию, содержащуюся в новом гене. Сущность методов генной инженерии сводится к внедрению в микроорганизм (чаще прокариотный) гена другого живого организма, в результате чего клетка микроорганизма 168 начинает синтезировать не свойственные ей белки, например, подобным образом получены инсулин, интерферон, гормон роста. Одним из перспективных направлений генной инженерии является культивирование генов больных и здоровых людей в клетках других живых организмов с целью изучения молекулярных основ наследственных заболеваний человека. Путем вмешательства человека в конструкцию ДНК были улучшены или изменены свойства десятков животных и растений, имевшие целью, например, повышение урожайности сельскохозяйственных культур и улучшение пород скота. В 1988 г. Патентное ведомство США выдало патент на генетически измененную мышь – первый патент на создание животного. Мышь была генетически изменена, чтобы помочь при исследовании раковых заболеваний, и стала таким образом первым мутантом, созданным человеком. После 1988 г. в помощь медицинским исследованиям было создано еще несколько новых видов мышей по ставшей уже обычной технологии. Важнейшим из этих достижений был создание в 1989 г. вида мыши с иммунной системой человека. Можно ожидать, благодаря этому важному достижению будут существенно ускорены исследования в области медицины, занимающейся лечением спида и других смертоносных болезней. Способность биотехнологии исправлять ошибки природы находится пока в зачаточном состоянии. Первые официальные попытки применения генной терапии на человеке были одобрены в США комиссией экспертов-медиков в июле 1990 г. Получили одобрение два плана использования генной терапии против иммунного дефицита у детей и рака кожи у взрослых. Хотя эти усилия касаются только сравнительно редких болезней, данная работа открыла двери для развития методов генетического лечения широкого круга болезней в будущем. Самые серьезные споры, связанные с генной инженерией, обусловлены той властью, которое человечество получает над процессами наследственности – способностью изменять генетическую структуру своего собственного вида. Первым этапом использования этой власти будет генная терапия – введение генов с "правильной" информацией в клетки, содержащие дефектные гены, или добавка новых генов, в коде которых имеются вещества для борьбы с болезнью. Одним из методов генной инженерии является клонирование. Клон – это генетическая копия отдельного организма, получаемая путем неполового размножения, при котором побуждается к делению ядро клетки из тела только одного родителя. Поскольку клон наследует гены лишь одного родителя, он должен быть генетиче169 ски тождественен этому родителю. Селекционеры-садоводы давно уже клонируют различные сорта растений путем разрезания и прививания. В естественных условиях клонированием размножаются бактерии и одноклеточные животные. Клонирование оказалось в центре внимания средств массовой информации, когда биологи сотворили новую лягушку из ДНК ядра клетки кишечника старой особи. Специалисты по биотехнологии могут теперь заниматься племенным животноводством, клонируя большое число домашних животных из отдельного эмбриона. Эта возможность успешно клонировать крупных млекопитающих содержит намек на будущее применение таких же методов для размножения человека. Однако это находится далеко за пределами уровня знаний о том, можно ли манипулировать с человеческими эмбрионами в лаборатории, производить многочисленное потомство генетически одинаковых младенцев. Все это – материал многих споров о том, как далеко мы хотим пойти в генной инженерии. Развитие геенной инженерии повлекло за собой постановку вопросов этического характера, объединением которых явилась биоэтика – область знания, связанная с этическими проблемами использования некоторых биологических и медицинских процедур, технологий и методов лечения. В качестве примера можно привести проблемы пересадки органов, генной инженерии или поддержание жизни безнадежно больных. Примером биоэтической проблемы является определение того лица, которому необходимо предоставить для пересадки (трансплантации) имеющиеся в наличии органы. Другой пример спорной технологии, а также этической и нравственной проблемы – опыты по пересадке человеческих зародышевых тканей, в частности – мозга человеческого зародыша больному с нарушением центральной нервной системы, что позволяет в ряде случаев ослабить симптомы болезни. 6.6. Принципы эволюции живых систем 6.6.1. Общее понятие прогресса и его проявление в живой природе Прогресс в общем виде, характеризуется как совершенствование чего-либо, переход от низшего к высшему (по структуре, свойствам, функциям). Прогресс можно считать главным направлением или главной формой развития. Однако он не является всеобщим признаком развития, не все и не всегда развивается в направлении к высшей организации. Есть еще регресс (противоположный переход от высшего к низшему) и изменения, идущие как бы “в одной плоскости”, оставляющие системы на прежнем уровне организации. 170 Прогрессивное развитие носит кумулятивный характер: новое, возникнув, не абсолютно вытесняет старое, но в преобразованном виде сохраняет в себе или его основу, или его отдельные элементы, накапливая, таким образом, элементы и связи. Вместе с этим прогресс всегда сопровождается уничтожением определенных связей и элементов систем. Поэтому прогресс никогда не бывает “чистым”, абсолютным, он всегда относителен, включая в себя момент частичного регресса. Относительность прогресса проявляется и в том, что каждое усовершенствование исключает возможность развития во многих других направлениях. При сравнении между собою нескольких систем более прогрессивной будет та, которая имеет более широкое будущее. Имеется в виду не только более длительное сохранение данной системы в сложившемся ее виде, но и перспективность ее дальнейшего развития по пути совершенствования, прогрессивного изменения. Биологическая эволюция – разветвленный, исторический процесс развития живой природы, сопровождающийся прогрессивным усложнением (реже упрощением) живых организмов, формированием приспособляемости жизненных форм к внешней среде и являющийся основой многообразия органического мира. В составе современной фауны и флоры сосуществуют виды, представляющие последние звенья самых различных рядов развития и стоящие на разных уровнях организации. Идея исторического развития живой природы и изменяемости организмов зародилась еще у античных мыслителей. Их взгляды получили дальнейшее развитие в работах философов и естествоиспытателей XVIII в., когда сформировался трансформизм – система взглядов об изменчивости видов растений и животных. История эволюционных учений характеризуется сменой различных представлений о факторах, способствовавших целесообразной адаптации живых организмов к окружающей среде. 6.6.2. Ламаркизм Первая последовательная теория эволюции была предложена французским биологом Ж.Б. Ламарком (1744–1829), который сформулировал четыре принципа: * существование организмов внутреннего стремления к совершенствованию; * способность организмов приспосабливаться к “обстоятельствам”, т.е. к окружающей среде; * частые акты самозарождения живого; * передача по наследству приобретенных признаков или черт. 171 Представления о наследуемых признаках – та основная ошибка Ламарка, в связи с которой его чаще всего критикуют. Ламарк считал, что эволюция живых организмов происходит под направляющим влиянием условий окружающей среды. Именно под воздействием среды организмы приобретают новые, всегда полезные для жизни признаки, которые затем передаются по наследству и поэтому определяют ход дальнейшей эволюции. Это было распространенным во время Ламарка убеждением. Например, Дарвин полагал также, что упражнение или неупражнение какого-либо органа в одном поколении отразится на следующем поколении. Подобных взглядов придерживались многие эволюционисты, пока в конце XIX в. немецкий биолог А. Вейсман (1834–1914) не продемонстрировал невозможность или, по крайней мере, очень малую вероятность наследования приобретенных признаков. Предположение Ламарка о стремлении к совершенствованию и частых актах самозарождения также не подтвердились, однако он был прав в том, что эволюция носит главным образом, приспособительный характер. 6.6.3. Дарвинизм. Эволюция путем естественного отбора Опираясь на огромный фактический материал, и практику селекционной работы по выведению новых сортов растений и пород животных, выдающийся английский естествоиспытатель Ч. Дарвин (1809–1882) сформулировал основные принципы своей эволюционной теории. Основные положения теории Ч. Дарвина были опубликованы в 1859 г. в книге “Происхождение видов путем естественного отбора”. Первый принцип, сформулированный Ч. Дарвином, постулирует, что изменчивость является неотъемлемым свойством живого. Вследствие изменчивости признаков и свойств даже в потомстве одной пары родителей почти не встречается одинаковых особей. Чем тщательнее и глубже мы изучаем природу, тем больше убеждаемся во всеобщем универсальном характере изменчивости. В природе нельзя обнаружить два совершенно одинаковых, тождественных организма. При благоприятных условиях эти различия могут не оказывать заметного влияния на развитие организмов, но при неблагоприятных – каждое мельчайшее различие может стать решающим в том, останется ли этот организм в живых и даст потомство или же он будет уничтожен. Ч. Дарвин различает два типа изменчивости. К первому типу, который он называет неопределенной или индивидуальной изменчивостью, Дарвин относит наследственную изменчивость. Второй тип он характеризует как определенную или групповую изменчивость, поскольку ей подвержены все организмы данной группы, которые оказались под воздей172 ствием определенного фактора внешней среды. В дальнейшем "неопределенные" изменения стали называть мутациями, а "определенные" – модификациями. Второй принцип теории Дарвина заключается в раскрытии внутреннего противоречия в развитии живой природы. Оно состоит в том, что для организмов характерно размножение в геометрической прогрессии, но выживает и достигает зрелости лишь небольшая часть потомства. Потенциально вид в каждом поколении производит гораздо больше особей, чем их может выжить на занимаемой территории. Следовательно, значительная часть родившихся особей гибнет в борьбе за выживание. В процессе жизнедеятельности каждый организм вступает в многообразные отношения с особями внутри вида, других видов и факторами неживой природы. Разнообразные взаимодействия данного организма с объектами живой и неживой природы Дарвин назвал борьбой за существование. Дарвин выделил три формы борьбы за существование: внутривидовую и межвидовую борьбу и борьбу с неблагоприятными условиями среды. Третий принцип, – принцип естественного отбора – играет фундаментальную роль в теории эволюции. Естественный отбор, по Дарвину, – это совокупность происходящих в природе событий, обеспечивающих выживание наиболее приспособленных, и преимущественное оставление ими потомства и избирательное уничтожение организмов, оказавшихся неприспособленными к существующим или изменившимся условиям окружающей среды. Дарвин обращал внимание на такие характерные особенности естественного отбора, как постепенность и медленность процесса изменений и способность суммировать эти изменения в крупные, решающие, которые, в конечном счете, приводят к формированию новых видов. Принцип естественного отбора оказался настолько сильным, что накопленные в дальнейшем знания в современной биологии не смогли отвергнуть или даже как-то существенно изменить саму идею естественного отбора. В эволюционной биологии это принцип остается основополагающим и в настоящее время. 6.6.4. Развитие дарвинизма. Основные факторы и движущие силы эволюции С начала XX в. благодаря, в первую очередь, данным генетики и экологии открылись новые возможности для анализа биологической эволюции. Дальнейшее развитие идей Дарвина в работах зарубежных и отечественных исследователей: Дж. Хаксли, Дж. Симпсона, Д. Харди, А.Н. Северцова, И.И. Шмальгаузена, В.И. Вернадского и ряда других – сформировало современный синтетический (основанный на данных многих областей естествозна173 ния) этап развития теории эволюции. Современная теория биологической эволюции отличается от дарвиновской по ряду важнейших пунктов: * в настоящее время признается, что элементарной структурной единицей, с которой начинается эволюция, является популяция, в которой в результате свободного скрещивания создается характерный для нее генофонд. Отдельная особь не может быть единицей эволюции, т.к. ее генотип определяется в момент зарождения и она смертна. Популяция же потенциально бессмертна. Вклад отдельного организма в эволюцию определяется передачей генов его потомкам; * в качестве элементарного явления или процесса эволюции современная наука рассматривает устойчивые изменения генотипа популяции. Дарвин и его последователи к основным факторам эволюции относили изменчивость, наследственность и борьбу за существование. В настоящее время к ним добавляют множество других дополнительных, неосновных факторов, которые, тем не менее, оказывают влияние на эволюционный процесс, а сами основные факторы теперь понимаются поновому. К ведущим факторам эволюции сейчас относят мутационные процессы, популяционные волны численности, изоляцию и естественный отбор. Мутации возникают на молекулярно-генетическом уровне и представляют собой изменения в наследственном материале. Мутации в своей совокупности представляют то, что Дарвин называл индивидуальной или неопределенной изменчивостью. Поскольку мутации возникают случайно, постольку их результат, действительно, становится неопределенным. Однако случайное изменение становится необходимым, когда оно оказывается полезным для организма, помогает ему выжить в борьбе за существование. Закрепляясь и повторяясь в ряде поколений, такие случайные изменения вызывают перестройку в структуре живых организмов и их популяций, и таким образом приводят к возникновению новых видов. Популяции, насыщенные мутациями, обладают широкими возможностями для совершенствования существующих и выработки новых приспособлений при изменении среды. Однако сам мутационный процесс без участия других факторов эволюции не может направлять изменение природной популяции. Он является лишь поставщиком элементарного эволюционного материала, резерва наследственной изменчивости. Популяционными волнами называют колебания численности особей популяции. Причины этих колебаний могут быть различными. Например, резкое сокращение численности популяции может произойти вследствие истощения кормовых ресурсов. Среди оставшихся 174 в живых немногочисленных особей могут быть редкие генотипы. Если в дальнейшем численность восстановится за счет этих особей, то это приведет к случайному изменению частот генов в генофонде данной популяции. Таким образом, популяционные волны являются поставщиком эволюционного материала. В качестве третьего основного фактора эволюции признается обособленность (изоляция) группы организмов. На эту особенность указывал еще Ч. Дарвин, который считал, что для образования нового вида определенная группа старого вида должна обособиться, но он не мог объяснить необходимость этого требования с точки зрения наследственности. В настоящее время установлено, что обособление и изоляция определенной группы организмов необходимы для того, чтобы она не могла скрещиваться с другими видами и тем самым передавать им и получать от них генетическую информацию. Изоляция различных групп организмов в природе, а также в практике селекции осуществляется самыми разными способами, но цель их одна – исключить обмен генетической информацией с другими видами. Для этого может служить, например, географическая граница (непреодолимая водная среда, болота, высокие горы, и т.п.). Это способствует закреплению начальной стадии изменения генофонда обособившейся группы, становлению ее как самостоятельной генетической системы. Изменение частот генов, вызванные рассмотренными выше факторами эволюции, носят случайный, ненаправленный характер и даже их совместное действие не приводит к устойчивому осуществлению направленного процесса эволюции. Направляющим фактором эволюции является естественный отбор. В настоящее время представления о естественном отборе пополнены новыми фактами, расширились и углубились. Естественный отбор следует понимать как избирательное выживание и возможность оставления потомства отдельными особями. Биологическое значение особи, давшей потомство, определяется вкладом ее генотипа в генофонд популяции. Отбор действует в популяции, его объектами являются фенотипы отдельных особей. Фенотип организма формируется на основе реализации информации генотипа в определенных условиях среды. Таким образом, отбор из поколения в поколение по фенотипам ведет к отбору генотипов, так как потомкам передаются не признаки, а генные комплексы. В целом отбор играет творческую роль в природе, поскольку из ненаправленных наследственных изменений закрепляются те, которые могут привести к образованию новых групп особей, более совершенных в данных условиях существования. Различают три основные формы естественного отбора: стабилизирующий, движущий и дизруптивный отбор. 175 Стабилизирующий отбор способствует сохранению признаков вида в относительно постоянных условиях среды. Он поддерживает средние значения, выбраковывая мутационные отклонения от ранее сформировавшейся нормы. Стабилизирующая форма отбора действует до тех пор, пока сохраняются условия, повлекшие образование того или иного признака или свойства. Примером стабилизирующего отбора является избирательная гибель домовых воробьев при неблагоприятных погодных условиях. У выживших птиц различные признаки оказывались близкими к средним значениям. Среди погибших эти признаки сильно варьировались. Примером действия отбора в популяциях людей служит большая выживаемость детей со средней массой. Движущий отбор благоприятствует изменению среднего значения признака в измененных условиях среды. Он обусловливает постоянное преобразование приспособлений видов соответственно изменениям условий существования. Особи популяции имеют некоторые отличия по генотипу и фенотипу. При длительном изменении внешней среды, преимущественно в жизнедеятельности и размножении, может получиться часть особей вида с некоторыми отклонениями от средней нормы. Это приведет к изменению генетической структуры, возникновению эволюционно новых приспособлений и перестройке организации вида. Одним из примеров этой формы отбора является потемнение окраски бабочки березовой пяденицы в развитых индустриальных районах Англии. В сельскохозяйственных районах распространены светлоокрашенные формы; изредка встречающиеся темные формы (мутанты) преимущественно истребляются птицами. Вблизи промышленных центров кора деревьев становится темной из-за исчезновения лишайников, чувствительных к загрязнению атмосферы. Численность темных форм бабочек, менее заметных на стволах деревьев, преобладает. Дизруптивный отбор действует в разнообразных условиях среды, встречающихся на одной территории, и поддерживает несколько фенотипически различных форм за счет особей со средней нормой. Если условия среды настолько изменились, что основная масса вида утрачивает приспособленность, то преимущество приобретают особи с крайними отклонениями от средней нормы. Такие формы быстро размножаются и на основе одной группы формируется несколько новых. Основной результат этого отбора заключается в наличии нескольких, различающихся по какому-либо признаку групп, как бы разрывающих популяцию (рис. 5.3). 176 Число особей Стабили зирующий отбор F3 F2 F1 Движущий отбор F1 F2 F3 Дизруптивный отбор F3 F2 F1 F2 ’ F3 ’ Признак (Fi – последовательность поколений в данной популяции) Рис. 5.3. Основные типы естественного отбора. Следует, однако, отметить, что перечисленные типы отбора очень редко встречаются в чистом виде. Как правило, в живой природе наблюдаются сложные, комплексные типы отбора, и необходимы особые усилия, чтобы выделить из них более простые типы. Синтетическая теория эволюции представляет собой синтез основных эволюционных идей Дарвина и прежде всего идеи естественного отбора с новыми результатами исследований в области наследственности и изменчивости. Ч. Дарвин в своей теории говорит об эволюции в рамках вида, о чем свидетельствует уже заголовок его книги "Происхождение видов". В синтетической теории элементарной единицей эволюции служит популяция, поскольку именно в ее рамках происходят наследственные изменения генофонда. Другое существенное отличие синтетической теории эволюции от дарвиновской, состоит в четком разграничении областей исследования микроэволюции и макроэволюции. Эти термины были впервые введены в 1927 г. отечественным генетиком Ю.А. Филипченко (1882–1930) для характеристики разных масштабов эволюции. Дальнейшее уточнение они получили в работах известного российского генетика Н.В. Тимофеева-Ресовского (1900– 1981), который определил микроэволюцию как совокупность эволюционных изменений, происходящих в генофондах популяций за сравнительно небольшой период времени и приводящих к образованию новых видов. В отличие от этого макроэволюция связана с эволюционными преобразованиями за длительный исторический период времени, которые приводят к возникновению надвидовых форм организации живого. Изменения, которые изучаются в рамках микроэволюции, доступны непосредственному наблюдению, тогда как макроэволюция происходит на протяжении длительного периода времени и поэтому ее процесс может быть реконструирован 177 лишь задним числом. В этих целях могут быть использованы методы сравнительноморфологического, эмбриологичекого и палеонтологического исследования, позволяющие с определенной степенью правдоподобия восстановить возможную картину происходивших процессов эволюции. При этом следует учитывать, что макроэволюция, как и микроэволюция, происходит в конечном итоге под воздействием изменений в окружающей среде. 6.6.5. Доказательства эволюции живой природы Научные исследования, проведенные во второй половине XIX и в XX веке, позволили получить чрезвычайно убедительные и разнообразные факты, доказывающие эволюцию органического мира и объясняющие движущие силы этого процесса. Доказательства эволюции органического мира дают нам достижения многих биологических наук: сравнительной анатомии и эмбриологии, палеонтологии, биогеографии, систематики и генетики. Сравнительная анатомия изучает общность и различия в строении организмов. Одним из первых веских доказательств единства органического мира было открытие клеточного строения животных и растений и создание клеточной теории. Доказательством единства происхождения всех позвоночных служит единый план их строения: двусторонняя симметрия, наличие вторичной полости тела, осевого скелета, головного и спинного мозга, двух пар конечностей и основных систем органов (кровеносной, дыхательной, пищеварительной, выделительной и др.). Доказательством единства происхождения и эволюции органического мира является наличие гомологичных признаков, рудиментов и атавизмов. Так, передние конечности позвоночных, несмотря на различный внешний вид и выполняемые функции, имеют единый план строения (скелет состоит из плеча, предплечья, образованного локтевой и лучевой костями, костей запястья, и фаланг пальцев), развиваются у зародышей из сходных зачатков и одинаково расположены на теле животных. Такие органы, сходные по общему плану строения и происхождению, но выполняющие разные функции, называются гомологичными. Гомологичными являются передние конечности крота и лягушки, крылья птиц, ласты тюленей, нога лошади и рука человека. Рудиментами называют органы, утратившие в процессе эволюции свое первоначальное значение и находящиеся в стадии обратного развития (исчезновения). Так, у человека насчитывается около 100 рудиментарных образований: третье веко, зубы мудрости, копчик, 178 червеобразный отросток (аппендикс), мышцы, двигающие ушную раковину, и др. Наличие рудиментов можно объяснить только тем, что у предков эти органы функционировали и были хорошо развиты, но в процессе эволюции утратили свое значение. Атавизмы – это появляющиеся у организмов признаки, свойственные их далеким предкам (например, появление у человека хвоста, сплошного густого волосяного покрова и др.). В отличие от рудиментов, они представляют собой отклонение от нормы. Эмбриология – наука, изучающая зародышевое развитие организмов. Данные сравнительной эмбриологии указывают на сходство зародышевого развития всех позвоночных. Зародыши животных, относящихся к различным классам позвоночных, характеризуются похожими контурами тела, наличием хвоста, жаберных щелей, зачатков конечностей и т.д. Сходство особенно проявляется на ранних этапах эмбрионального развития. Позднее последовательно происходит проявление признаков, характерных для класса, отряда, рода и, наконец, вида, к которому он принадлежит. Основываясь на приведенных выше фактах, немецкие ученые Ф. Мюллер (1864) и Э. Геккель (1866) независимо друг от друга сформулировали биогенетический закон, согласно которому зародыш в процессе индивидуального развития (онтогенеза) кратко повторяет историю развития вида (филогенез). Позднее А. О. Ковалевский (1840–1901), А. Н. Северцов (1866–1936) и И.И. Шмальгаузен (1884–1963) установили, что в индивидуальном развитии повторяется строение не взрослых стадий предков, а эмбриональных. Например, у зародышей млекопитающих и рыб закладываются жаберные дуги, на основе которых у рыб развиваются жабры, а у млекопитающих – хрящи гортани и трахеи. Палеонтология изучает ископаемые остатки организмов. Палеонтологические находки позволяют восстановить внешний облик вымерших животных, их строение, сходства и различия с современными животными. Это дает возможность проследить развитие органического мира во времени. Например, в самых древних геологических пластах обнаружены остатки лишь представителей беспозвоночных, в более поздних – хордовых животных, а в молодых отложениях – животных, сходных с современными. Палеонтологические находки подтверждают наличие преемственных связей между различными систематическими группами. К палеонтологическим доказательствам биологической эволюции относятся работы русского ученого В.О. Ковалевского, исследовавшего историю развития лошади и обнаружившего последовательные (филогенетические) ряды ископаемых животных – предков 179 лошади, на которых прослеживается их эволюция (постепенное уменьшение числа пальцев, изменение размеров тела, изменение формы черепа и строения зубов). Биогеография изучает закономерности распределения растительного и животного мира на Земле. Установлено, что чем меньше связь между континентами и древнее изоляция отдельных частей планеты, тем сильнее различия организмов, населяющих эти территории. Так, животный мир Австралии весьма своеобразен, - здесь отсутствуют многие группы животных, зато сохранились такие, которых нет в других районах Земли, например яйцекладущие (утконос, ехидна) и сумчатые (кенгуру, сумчатый волк и др.) млекопитающие. В то же время животный мир некоторых островов сходен с материковым (например, Британские острова и Сахалин), что говорит об их недавней изоляции от континента. Таким образом, распределение видов животных и растений по поверхности планеты и их группировка по зонам отражают процесс исторического развития Земли и эволюции живого. Современная систематика объединяет всех животных и растения в систематические группы (роды, семейства и т. д.) исходя не только из сходства строения, но и из общности их происхождения (родства). Для построения системы той или иной группы ученые используют совокупность признаков: изучают ее историческое развитие по ископаемым останкам, исследуют анатомическое строение современных видов, особенности размножения, сравнивают эмбриональное развитие, особенности химического состава и физиологических процессов, современное и прошлое распределение на Земле. Систематика отражает естественную историческую систему родственных связей живых организмов в природе. Данные современной генетики вскрывают материальные основы преемственности между поколениями. Изучение последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК и аминокислот в молекулах белков дает представление об эволюционных процессах на молекулярном уровне. 6.7. Биохимическая эволюция Представление о биохимической эволюции как длительном переходе от "неживого" к "живому" лежит в основе общепринятой в настоящее время концепции происхождения жизни на Земле, впервые предложенной в 20-х гг. XX в. русским биохимиком А.И. Опариным (1894–1980). Однако наряду с этой концепцией существуют и существовали иные представления о возникновении жизни. 180 6.7.1. Основные подходы к проблеме происхождения жизни Загадка появления жизни на Земле с незапамятных времен волнует людей. На протяжении веков менялись взгляды на эту проблему. Так, допускалась возможность постоянного зарождения живого из неживого. Великий Аристотель (IV в. до н.э.) не сомневался в самозарождении лягушек, мышей. В XVII в. голландский ученый Я.Б. Ван-Гельмонт составлял рецепты получения мышей из пшеницы и загрязненного белья. В. Гарвей, Р. Декарт, Г. Галилей, Ж.Б. Ламарк, Г. Гегель придерживались мысли о постоянно осуществляющемся самопроизвольном зарождении живого из неживого. Но с XVII в. стали накапливаться данные против такого понимания. В 1668 г. итальянский естествоиспытатель и врач Ф. Реди (1626–1698) доказал, что белые черви в гниющем мясе есть не что иное, как личинки мух. Окончательно же ученые отказались от представлений о самозарождении микроорганизмов лишь во второй половине XIX в. В 1862 г. Луи Пастер убедительными опытами доказал невозможность самопроизвольного зарождения простейших организмов в современных условиях и утвердил принцип "все живое из живого". После этого одни ученые поставили вопрос об историческом возникновении жизни в первобытных условиях Земли, другие же склонились к тому, что жизнь на нашей планете никогда не зарождалась, а была занесена на нее из Космоса, где она существует вечно. Однако такой подход просто снимает проблему возникновения жизни на Земле и переносит ее в другое место Вселенной. Существует также точка зрения, что жизнь возникла чисто случайно и совершенно внезапно. Так, американский генетик, лауреат Нобелевской премии Г. Меллер (1890–1946) допускал, что живая молекула, способная размножаться, могла возникнуть вдруг, случайно, в результате взаимодействия простейших веществ. Он считал, что элементарная единица наследственности – ген – является и основой жизни, а жизнь в форме гена, по его мнению, возникла путем случайного сочетания атомных группировок и молекул, существовавших в водах первичного океана. Но подсчеты показывают невероятность такого события. Трудно рассчитывать получить одну молекулу РНК вируса табачной мозаики за 10 9 лет даже в том случае, если бы весь Космос представлял собой реагирующую смесь нуклеотидов, входящих в РНК. Большинство ученых отказалось от такого предположения. Ф. Энгельс одним из первых высказал мысль, что жизнь возникла не внезапно, а сформировалась в ходе длительной эволюции материи. Эволюционная идея положена в основу 181 гипотезы сложного, многоступенчатого пути развития материи, предшествовавшего зарождению жизни на Земле, выдвинутой А.И. Опариным в 1924 г. и английским исследователем Дж. Холдейном в 1929 г. 6.7.2. Химическая эволюция Двести лет назад сложилось убеждение, что между органическими и неорганическими соединениями лежит непроходимая пропасть. Для подобного мнения были основания: известные тогда органические соединения создавались живыми организмами, и получить их другими способами не удавалось. Свойства органических соединений были иными, чем у неорганических веществ, но после того, как из обычных химических элементов было синтезировано первое органическое соединение, представление о двух разных сущностях органических и неорганических веществ потеряло свою незыблемость. Возникла органическая химия (предмет изучения которой – углерод и его соединения, являющиеся строительным материалом живых организмов) и – биохимия, изучающая химические процессы в живых организмах. Рассматривая проблему возникновения жизни путем биохимической эволюции, А.И. Опарин выделяет три этапа предположительного перехода от неживой материи к живой: * этап синтеза исходных органических соединений из неорганических веществ в условиях первичной атмосферы первобытной Земли; * этап формирования в первичных водоемах Земли из накопившихся органических соединений биополимеров, липидов, углеводородов; * самоорганизация сложных органических соединений, возникновение на их основе и эволюционное совершенствование процессов обмена веществом и воспроизводства органических структур, завершающееся образованием простейшей клетки. На современной Земле процессы образования органических веществ из неорганических наблюдаются очень редко. Однако в условиях первобытной Земли, возраст которой предполагается равным 4,6 млрд. лет, все могло обстоять иначе. Первичная атмосфера Земли, как полагают, состояла из водяных паров, водорода, углекислого газа с небольшой примесью других газов (аммиака, метана, сероводорода) почти при полном отсутствии кислорода (практически весь кислород, содержащийся в современной атмосфере, является продуктом фотосинтеза). В атмосфере первобытной Земли, содержащей водород и аммиак, подвергнутой действию электрических разрядов и мощного ультрафиолетового излучения, радиоактивных 182 частиц, космических лучей, ударных волн от метеоритов, теплоты от интенсивной вулканической деятельности, могли быть созданы условия, необходимые для синтеза из неорганических веществ простейших органических соединений (мономеров), предшественников биологических макромолекул. Фактором, благоприятствующим этому синтезу, явилось отсутствие кислорода, которой мог бы разрушить эти соединения, и – живых организмов, которые использовали бы их в качестве пищи. Гипотеза А.И. Опарина положила начало физико-химическому моделированию процессов образования молекул аминокислот, нуклеиновых оснований, углеводородов в условиях предполагаемой первичной атмосферы Земли. В 1953 г. американский биохимик С. Миллер (р. 1930) в ряде экспериментов моделировал условия, предположительно существовавшие на первобытной Земле. В созданной им установке, снабженной источником энергии, ему удалось синтезировать многие вещества, имеющие важное биологическое значение. Эксперименты Миллера показали, что под воздействием физических излучений эти биоорганические молекулы могут образовываться в самых различных смесях, содержащих водород, азот, аммиак, воду, углекислый газ, метан, синильную кислоту и т.п. 6.7.3. Коацерватная стадия в процессе возникновения жизни Коацерваты – это комплексы коллоидных частиц, раствор которых, как правило, разделяется на два слоя – слой, богатый коллоидными частицами, и жидкость, почти свободную от них. В некоторых случаях коацерваты образуются в виде отдельных капель, видимых под микроскопом. Для их образования необходимо присутствие в растворе нескольких (хотя бы двух) разноименно заряженных высокомолекулярных веществ. Поскольку в водах первичного океана это условие было соблюдено, образование в нем коацерватов могло быть реальным. Теория биохимической эволюции рассматривает коацерваты как предбиологические системы, представляющие собой группы молекул, окруженные водной оболочкой. Коацерватная стадия в процессе возникновения жизни рассматривалась А.И. Опариным как этап биохимической эволюции, в процессе которого возникшие белковые молекулы, полисахариды, липиды – накапливались в водах мирового океана, полимеризовались и концентрировались в коацерватных каплях. А.И. Опарин предположил, что в массе коацерватных капель должен был идти отбор наиболее устойчивых образований, длившийся многие миллионы лет. Способность к изби183 рательной адсорбции постепенно преобразовывалась в устойчивый обмен веществ. Вместе с этим в процессе отбора оставались лишь те капли, которые при распаде на дочерние сохраняли особенности своей структуры, т.е. приобретали свойство самовоспроизведения – важнейшего признака жизни. По достижении этой стадии коацерватная капля превратилась в простейший живой организм. Коацерватные капли были местом встречи и взаимодействия до этого независимо возникавших простых белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов и липидов. Отдельная молекула, даже очень сложная, не может быть живой. Ученые считают, что первоначально на молекулярном уровне могли возникать лишь белково- и нуклеиноподобные полимеры, лишенные какой-либо биологической целесообразности своего строения. Только при объединении этих полимеров в многомолекулярные фазовообособленные системы могло возникнуть взаимосогласование их структур и биологическое функционирование новых целостных систем. Где-то на той же стадии возникает и естественный отбор, способствующий сохранению наиболее совершенных и целесообразных структур. Предполагается, что самосборка мембранных липидных оболочек с заключенными в них биополимерами – важный шаг в переходе от химических смесей к организованным системам. Именно во внутренних полостях капель, куда извне могли выборочно проникать молекулы, началась эволюция от химических реакций к биохимическим, а переход к простейшей клетке произошел в форме скачка, характерного для самоорганизации вещества. 6.7.4. Начальные этапы развития жизни на Земле Ученые считают, что первые примитивные клетки (прокариоты) появились в водной среде Земли 3,0–3,5 млрд. лет назад. Они питались синтезированными абиогенно (т.е. небиологическим путем) органическим веществами или менее удачливыми своими собратьями, т.е. были гетеротрофами – организмами, извлекающими необходимые для жизни органические вещества из внешней среды. Энергетические потребности удовлетворяли за счет брожения. Отбор среди клеток велся на способность получать энергию и вещества из окружающей среды более эффективным путем и обращать их на создание потомства. При увеличении численности подобных организмов, запас органических соединений в первичном океане истощался. В этих условиях значительное преимущество при отборе должны были приобретать организмы, способные к автотрофности, т.е. к такому типу питания, при котором извне потребляются неорганические вещества, а синтез органических веществ осуществляется самим организмом за счет 184 реакций восстановления и окисления. Следующим этапом было развитие фотосинтезирующих бактерий, использующих для осуществления синтеза органических веществ энергию солнечного света. В качестве побочного продукта фотосинтеза в земной атмосфере стал накапливаться кислород. Это явилось предпосылкой возникновения в ходе эволюции аэробных организмов (использующих при дыхании кислород), усложняющих по мере развития свою структуру и обмен веществ. Полагают, в течение первых двух млрд. лет биологической эволюции существовали лишь микроорганизмы, причем некоторые из них были вполне похожи на нынешние бактерии и водоросли. За последние 600 млн. лет, составляющих всего 13% всей истории Земли (4,6 млрд. лет), расцвело все многообразие форм жизни, появился первый человек (около 3 млн. лет назад). 6.8. Происхождение и эволюция человека Вопрос о собственном происхождении постоянно привлекал к себе внимание людей. Попытки понять и объяснить свое происхождение, отражены в верованиях, легендах, сказаниях разных племен и народов. Проблема происхождения человека смогла получить свое научное объяснение лишь на основе теории эволюции. Основатель первой классификации К. Линней хотя и придерживался метафизических воззрений, но поместил человека в отряд приматов вместе с обезьянами и полуобезьянами. Автор первой теории эволюции Ж.Б. Ламарк впервые высказал гипотезу о животном происхождении человека от древних человекообразных обезьян в результате перехода к прямохождению. Значительным событием в понимании истории человека как вида стала книга Ч. Дарвина "Происхождение человека и половой отбор (1871)", в которой Дарвин, проанализировав обширные данные сравнительной анатомии, эмбриологии и систематики, пришел к выводу о поразительном сходстве человека с животными, особенно – с человекообразными обезьянами. Ч. Дарвин также обратил внимание на влияние социальных факторов в эволюции человека. В последующие годы вопросы происхождения и эволюции человека находились под пристальным научным вниманием. В последние 30–40 лет в антропологии накопились данные, позволившие ответить на многие важные вопросы, связанные с происхождением человека. 185 6.8.1. Положение человека в системе животного мира Данные сравнительной эмбриологии и анатомии ясно указывают на черты сходства в развитии человека и животных и позволяют отнести вид Человек разумный (Homo sapiens)к типу Хордовые, подтипу Позвоночные, классу Млекопитающие, отряду Приматы, семейству Люди, роду Человек. У человека (как у хордовых) на ранних этапах эмбрионального развития внутренний скелет представлен хордой, полость глотки содержит жаберные щели, тело имеет двустороннюю симметрию. По мере развития замена хорды на позвоночный столб, формирование черепа и челюстного аппарата, появление скелета парных свободных конечностей, наличие пяти отделов головного мозга, формирование сердца на брюшной стороне позволяют отнести человека к позвоночным. Как у млекопитающих, позвоночник человека разделен на пять отделов, кожа покрыта волосами и содержит потовые и сальные железы; характерно наличие диафрагмы, четырехкамерного сердца, теплокровности. Вскармливание детенышей молоком позволяют отнести человека к классу млекопитающих. Такие признаки, как передние конечности хватательного типа (первый палец противопоставлен остальным), наличие ногтей, расположение глаз в одной плоскости (что обеспечивает объемное зрение), замена молочных зубов и т.д., позволяют отнести человека к отряду приматов. В этом ряду человека выделяют следующие отличительные свойства: * способность производить орудия труда для сознательного воздействия на окружающий мир; гибкая кисть руки – органа труда – способна выполнять самые разнообразные и высокоточные движения; * прямохождение и положение внутренних органов, соответствующее вертикальному положению тела: только человеку присуще истинное прямохождение. В силу вертикального положения скелет человека имеет широкий таз, плоскую грудную клетку, резкие изгибы позвоночника, сводчатую стопу, большой палец нижних конечностей приблизился к остальным и принял на себя функцию опоры; * высокая степень развития руки, позволяющая изготавливать орудия труда; * членораздельная речь (в мозге человека значительно развиты лобные, височные и теменные доли, в которых расположены важнейшие центры психики и речи); * высокая степень развития головного мозга и его вместилища – черепа; мозговой отдел черепа значительно преобладает над лицевым: человек имеет очень сложно устроенный головной мозг объемом около 1000–2000 см 3 (площадь коры больших 186 полушарий составляет в среднем 1250 см 2 , что значительно выше, чем у человекообразных обезьян); * кожа, большая часть которой лишена волосяного покрова. Масса мозга нормальных людей колеблется в пределах 1020–1970 г, у мужчин – на 100– 150 г больше, чем у женщин. Средняя масса мозга у представителей разных рас различается ненамного. Средняя масса мозга африканских негров – 1316 г, европейцев – 1361 г, масса мозга японцев – 1374 г. Главным показателем считается не абсолютная масса мозга, а его отношение к массе всего тела. У синего кита, например, масса мозга 6800 г, а общая его масса 30 т. В среднем у кита 1 г мозга управляет пятью килограммами тела (у китовгигантов это соотношение составляет 1:20), а у человека 1 г мозга отвечает лишь за 50 г тела. Важное значение имеет структура мозга, количество нервных клеток в нем, интенсивность кровоснабжения. Человек по этим показателям существенно превосходит всех животных. Только в коре больших полушарий человеческого мозга содержится 10–20 млрд. нейронов, огромное количество их в мозжечке и подкорковых ядрах. У человека увеличены теменные, лобные и височные доли мозга, обеспечивающие жизнь человека именно как общественного существа и регулирующие его животные инстинкты. Неотъемлемое от человеческого существования производство орудий труда неизбежно предполагает возникновение обобщенного и опосредованного отражения действительности в абстрактных понятиях. Когда первобытный человек соединял вместе палки или обтачивал камень, он ведь не удовлетворял этими действиями свои непосредственные потребности (например, в пище). Это значит, что человек должен был уже осознавать связь между своим действием по изготовлению орудия труда и последующим использованием его на охоте, при доставании и сборе растительных продуктов. В этом случае уже говорят об опосредованном, обобщенном отражении, которое может быть осуществлено только в форме абстрактных понятий. А эти понятия могли быть выражены только в словах, с помощью которых люди научились обмениваться опытом и накапливать его, передавая от поколения к поколению. В процессе эволюции у человека сформировалась вторая сигнальная система, которой нет у животных. Первая сигнальная система есть и у животных, и у человека. Она связана с наличием органов чувств, сигналами здесь выступают воздействия от предметов внешнего мира и от внутренних процессов в самом организме. Для человека же сигналами второго рода являются слова, “произносимые, слышимые и видимые” (И.П. Павлов). Слово заме187 няет непосредственные сигналы – те или иные явления действительности, сигнализирует нам о них. Поэтому слово воспринимается как “сигнал сигналов”. Показательно, что вторая сигнальная система, обеспечиваемая действием наследственно передаваемых структур мозга, функционирует только при нормальном развитии человека именно как общественного существа – при необходимом воспитании человеческого индивида другими людьми, обучении его речи, трудовым навыкам, нормам общения и т.д. Труд, мышление, язык как собственно человеческие качества – непосредственно общественные феномены. Они одновременно и предпосылки, необходимые условия формирования общества, и его продукты. Так же связаны между собой человек и общество. То, что общество не может быть без людей, понятно. Но и человек как таковой не может существовать вне общества. Человек, общество, труд, мышление, язык не могут быть разделены во времени. Ни одно из них не может существовать друг без друга. До них и вне их существовали только животные предки людей, только животное стадо и только животная психика, обеспечиваемая первой сигнальной системой. До человека и человеческого общества не было и труда, а была приспособительная деятельность животных как особая естественная форма движения материи. Развитие и длительное ее превращение сначала в зачатки, а затем во все более полноценные формы творческого, созидательного, преобразующего мир труда (и соответственно сознания, мышления и языка) и послужило средством, способом перехода от животного мира к человеческому. В этом смысле и говорится о решающей роли труда в происхождении человечества и его сознания. Труд, изменение человеком внешней природы, самого себя и отношений людей друг к другу, т.е. самого общества составляет основу человеческого мышления. Причем не только по происхождению и способу существования, но и по своему содержанию человеческое сознание является не чем иным, как отражением, осознанием материальной практики, природы, общества и их взаимодействия. С человекообразными обезьянами у человека много общих признаков: сходная структура черепа, хорошо развитые лобные доли головного мозга, слабо развитая обонятельная зона, большое число извилин коры больших полушарий, наличие аппендикса, исчезновение хвостового отдела позвоночника, развитие мимической мускулатуры и др. Кроме морфологических признаков, о сходстве человека и человекообразных обезьян свидетельствует и ряд других данных: сходны резус-факторы и группы крови; человекообразные обезьяны восприимчивы ко многим болезням человека и др. 188 О родстве человека с животными свидетельствует также наличие у человека атавизмов и рудиментов. Атавизмы – появление у отдельных организмов данного вида признаков, которые существовали у отдаленных предков, но были утрачены в процессе эволюции. Атавистические признаки, встречающиеся иногда у человека (наружный хвост, обильный волосяной покров на лице, сильно развитые клыки, и др.), свидетельствуют о том, что гены, ответственные за данный признак, сохраняются в процессе эволюции в генофонде. Рудименты – недоразвитые органы, практически утратившие в процессе эволюции свои функции по сравнению с аналогичными органами предковых форм. В отличие от атавизмов, рудименты встречаются практически у всех особей данного вида. У человека насчитывают около 90 рудиментов: червеобразный отросток (аппендикс), волосяной покров туловища, ушные мышцы, копчиковый отдел позвоночника и др. В последнее время разработаны методы определения эволюционного родства организмов путем сравнения их хромосом и белков. Белки синтезируются на основе наследственной информации, заключенной в генах. Родство между видами тем больше, чем больше сходство между белками, а, следовательно, и нуклеотидными последовательностями молекул ДНК представителей этих видов. Белки человека и шимпанзе сходны на 99%. 6.8.2. Отряд приматов Обезьяны как высшие приматы издавна привлекали внимание людей (естественно, и ученых в том числе). Но активное изучение приматов началось лишь с 50-х годов XX в., особенно резко увеличился исследовательский интерес к ним в 70-е годы. В мире сейчас примерно 70 центров по изучению приматов, 50 из них – в США. Еще Аристотель отмечал сходство высших обезьян с человеком, считая при этом, что обезьяна “менее красива, чем лошадь, она более похожа на человека” Первые представители отряда приматов появились на Земле более 70 млн. лет назад. Среди ныне живущих приматов насчитывается примерно 210 видов. Они разделяются на два подотряда – подотряд полуобезьян, или низших приматов, и подотряд высших приматов. К низшим приматам относятся в основном мелкие животные (самые крупные из них достигают размеров собаки): тупайя, долгопят, и др. Подотряд высших приматов наряду с человеком включает всех обезьян, разделяющихся на широконосых обезьян (все они – низшие обезьяны: игрунки, тамарины, капуцины, ревуны и др.) и узконосых обезьян (мартышкообразные низшие обезьяны, высшие обезьяны и 189 человек). Высшие, человекообразные обезьяны (гиббоны, орангутанги, гориллы, шимпанзе и др.) и человек образуют особое надсемейство. В отличие от всех других млекопитающих зрение у приматов объемное, стереоскопическое, цветовое (различают 2–3 цвета). В процессе эволюции приматов уменьшилась острота восприятия высокочастотных звуков и обоняния. Высокое качество зрения при развитой передней конечности (у высших приматов ее можно называть рукой), недоступная другим животным взаимосвязь глаз – рука создали приматам исключительные возможности для сложных форм поведения. Большинство приматов живут стадами (но не все, гиббоны, например, живут парами). Стадный образ жизни помогает защищаться от врагов, способствует взаимному обмену навыками, воспитанию молодняка. Ценным является очень развитая у приматов способность к подражанию, наблюдается (особенно в группах низших обезьян, например, мартышек) взаимопомощь и сотрудничество. В пределах общего стада формируются группы на основе родственных и приятельских связей. Кроме обезьян, это не свойственно другим видам животных. Существуют стада обезьян и с одним взрослым самцом, и с несколькими. Встречается господство в группах и самок. Гамадрилы (разновидность павианов, относящихся к низшим обезьянам) используют почти 20 различных звуковых сигналов, подсчитано, что они пользуются семью типами взглядов и десятью жестами. Для всех человекообразных обезьян вместе с человеком характерны округлая голова с выступающим лицевым отделом, крупный высокоразвитый мозг, богатая мимика, длинные и развитые передние конечности (руки) с ногтями, сходное число позвонков и ребер, хождение на двух ногах. Несколько отличается гиббон, у которого и мозг поменьше (объем всего 100–150 см3), и механизм передвижения более древний. У всех антропоидов отсутствуют хвост и защечные мешки, у многих нет седалищных мозолей. Самые крупные антропоиды – гориллы (рост до 2 м, масса до 300 кг, мозг 400–600 см'). Шимпанзе (рост до 150 см, масса до 80 кг, обычно же 45–60 кг) представляют собой наиболее близкий человеку род. Они питаются растениями, но замечены и в хищничестве и даже каннибализме. Высшим обезьянам (например, шимпанзе) свойственна “человечность” бытового поведения на воле: они обнимаются при встречах, похлопывают друг друга по плечу или спине, соприкасаются руками. В специальных, экспериментальных условиях высшие обезьяны делают палки, расщепляя острым камнем доску, обучаются жестовому языку глухонемых и другим способам несловесного общения, вполне целенаправленно рисуют, находят пути в лабиринтах и т.п. 190 Установлено иммунологическое и биохимическое родство человека с обезьянами. Человекообразные, высшие обезьяны ближе к человеку, чем к низшим узконосым (не говоря уже о более примитивных широконосых) обезьянам, по параметрам головного мозга, структуре лейкоцитов и т.п. У человека диплоидное число хромосом равно 46 ( 2n = 46 ), у человекообразных обезьян – 48 (2n = 48), а у низших узконосых обезьян зта величина имеет значения от 54 до 78 (от 2n = 54 до 2n = 78), т.е. различие намного больше. Известны случаи успешного переливания крови шимпанзе людям, имеющим соответствующую группу крови, и наоборот. Для низших же узконосых обезьян кровь человека оказывается слишком чужеродной. Обмен кровью здесь невозможен. Но анатомические отличия человека от антропоидов все же значительны. Главные из них – те, которые обеспечивают человеку возможность полноценной трудовой деятельности. У обезьян же, даже самых высших, наблюдаются все-таки лишь намеки на таковую. По совокупности показателей можно сделать вывод, что гориллы и шимпанзе ближе к человеку, чем орангутаны. Но ни гориллы, ни шимпанзе не могут быть предками человека, они его современники. Предками и человека, и современных человекообразных обезьян могут быть только более древние, давно уже исчезнувшие виды человекообразных обезьян, поиски которых продолжаются. 6.8.3. Происхождение человека Решение проблемы происхождения человека опирается на сформулированную Дарвиным симиальную (от лат. simia – обезьяна) гипотезу, предполагающую происхождение человека от высокоразвитых древнейших обезьян кайнозойской эры (начавшейся около 65 млн. лет назад и продолжающейся в настоящее время). Происхождение человека от низших форм живых организмов представляет схема этапов антропогенеза (эволюции предков человека), представленная на рис. 5.4. На этой схеме эволюционная линия приматов начинается с древесного насекомоядного и проходит этапы, соответствующие древнейшим человекообразным обезьянам (парапитекам, дриопитекам, австралопитеками) и этапы, соответствующие ископаемым и ныне живущим людям (архантропам, палеоантропам, неоантропам). Согласно палеонтологическим данным, от примитивной группы древних млекопитающих – насекомоядных – около 35 млн. лет назад обособилась группа животных, давшая впоследствии приматов. Из ныне живущих форм к ним наиболее близки тупайи – низшие из современных приматов. Приматы относятся к наиболее высоко организованным млеко191 питающим. У них значительно развит головной мозг, глазницы направлены вперед, конечности хватательного типа, на всех пальцах развиты ногти, и др. От предков современных тупай отделилась ветвь, давшая предков современных человекообразных обезьян – парапитеков (небольших животных, ведших древесный образ жизни и питавшихся растениями и насекомыми). Их челюсти и зубы были подобны челюстям и зубам человекообразных обезьян. В дальнейшем парапитеки дали начало современным гиббонам и орангутангам, а также вымершей ветви древнейших обезьян – дриопитекам, которые появились 17–18 млн. лет назад и вымерли около 8 млн. лет назад. За более чем 10 млн. лет обитания в тропических лесах у дриопитеков сформировались передние конечности, приспособленные к лазанью по деревьям и добыванию пищи, большой головной мозг с высоким развитием двигательных отделов, бинокулярное зрение и др. Современные люди (неоантропы) Семейство: Hominidae Род: Homo Вид: Homo sapiens Древние люди (палеоантропы) Древнейшие люди (архантропы) Австралопитеки Шимпанзе Гориллы Вид Homo erectus Вид: Homo habilis Дриопитеки Гиббоны, орангутанги Парапитеки Рис. 5.4. Схема этапов антропогенеза. В связи с похолоданием климата и вытеснением тропических и субтропических лесов сформировались обширные открытые пространства с растительностью саванного типа. Предполагают, что популяции дриопитеков расселились по разным местам обитания: предковые формы современных человекообразных обезьян – в дождевые тропические леса, где они передвигались, главным образом цепляясь руками за ветки и раскачиваясь (образовались два вида: горилла и шимпанзе), а другие – на открытые пространства, где они были 192 вынуждены вставать на задние конечности, видимо, чтобы лучше обозревать местность. Со временем, попав под влияние естественного отбора, такое положение из случайного, вынужденного перешло в необходимое. Прямохождение сыграло огромную роль в эволюции приматов, так как оно освободило передние конечности, что позволило использовать их для манипуляций с окружающими предметами при добывании пищи, уходе за детенышами и выполнении других различных функций хватательного типа. Некоторые из популяций дриопитеков положили начало эволюции предшественников человека – австралопитекам – высокоразвитым обезьянам. Таким образом, линия людей отделилась от линии, ведущей к современным человекообразным обезьянам. Австралопитеки, жившие 5 млн. лет назад, считаются самыми ранними из известных предков человека после отделения человеческой линии эволюции от обезьян. Буквально австралопитек означает южная обезьяна, поскольку первые ископаемые останки австралопитека найдены на юге и востоке Африки. Австралопитеки были небольшого роста, (130– 150 см) с небольшим объемом головного мозга (550 см3)и вытянутым вперед лицом. Австралопитеки вели стадный образ жизни, занимались охотой и собирательством, начали освоение огня и систематически использовали естественные предметы (камни, палки, кости и т.п.) в качестве орудий труда. Судя по строению зубной системы, эти животные были всеядными; слабое развитие клыков согласуется с предположением, что функции нападения и защиты у них должны были перейти к верхним конечностям. Они ходили на двух ногах при выпрямленном положении тела, руки были свободными и могли ловить животных, бросать камни и совершать другие действия. В последнее время обнаружены останки существ, живших одновременно с австралопитеками (1–3 млн. лет назад), но обладавших более крупным мозгом (до 800 см3). Рядом с их останками обнаружены примитивные орудия труда, поэтому было предложено считать этих существ первым видом людей – Человеком умелым (Homo habilis). Рост их достигал 150 см, объем головного мозга был на 100 см3 больше, чем у австралопитеков, зубы человеческого типа, фаланги пальцев сплющены, первый палец стопы, как и у современного человека, не был отведен в сторону. Хотя в морфологическом отношении Человек умелый значительно не отличался от австралопитеков, однако, являясь создателем самой примитивной культуры палеолита, он преодолел грань, отделяющую ископаемых человекообразных обезьян от древнейших людей. 193 В течении длительной фазы предшественников человека действовали преимущественно эволюционные факторы генетической изменчивости и отбора. Изменение условия существования создало сильное давление отбора в пользу выживания особей и групп с признаками, содействовавшими прогрессивному развитию прямохождения, способности к трудовой деятельности, совершенствованию верхних конечностей и познавательной активности головного мозга. Естественный отбор сохранил признаки, способствовавшие усилению совместного поиска добычи, защите от хищных зверей, заботе о потомстве и т.д., что способствовало развитию стадности как ступени к развитию социальности. 6.8.4. Этапы эволюции человека Основным, имеющим палеонтологическое подтверждение, признаком перехода от дочеловеческой фазы к человеческой фазе развития считают формирование способности к планомерной трудовой деятельности, заключающейся в переходе от случайного использования естественных предметов как орудий труда к изготовлению специализированных орудий, предназначенных для разных целей. Существенными моментами этого процесса были прямохождение, хватательная рука и хорошо развитая высшая нервная деятельность – признаки, унаследованные от предков. К ним добавились высокоразвитая забота о потомстве и сохранение старшего поколения, любопытство к окружающей среде, коллективная деятельность, социальные структуры и все более усложняющаяся система общения – язык. К древнейшим людям (архантропам), составившим вид Человек прямоходящий (Homo erectus), относят несколько ископаемых форм: питекантропа, синантропа и несколько других ископаемых предков. Останки питекантропа были обнаружены на о. Ява в 1891 г. Питекантропы были более схожи с австралопитеками, чем с современными людьми. Они жили 1 млн.–500 тыс. лет назад. Для них характерны низкий сильно скошенный лоб, сплошной надбровный валик, массивная, не имеющая подбородочного выступа нижняя челюсть. Объем мозга составлял 750–900 см3 Считают, что у питекантропов были зачатки речи, жили они преимущественно в пещерах и вели стадный образ жизни. Останки синантропа были обнаружены в 1927 г. в пещере близ Пекина. Расселяясь и попадая в новые условия существования, популяции Человека умелого образовывали отдельные изолированные формы архантропов, занимающим по многим существенным признакам промежуточное положение между австралопитеком и современным человеком. 194 Древние люди (палеоантропы) занимают промежуточное положение между архантропами и ископаемыми формами Человека разумного. На данном этапе антропогенеза, наряду с биологическими факторами эволюции, начинают действовать и социальные факторы: объединение усилий особей в процессе труда, охоты и защиты; передача накопленного опыта и традиций следующим поколениям; развитие интеллекта и др. К палеоантропам относят неандертальцев (впервые их останки найдены в долине р. Неандерталь в Германии в 1856 г.). Они были широко расселены в Европе, Африке и Азии. Неандертальцы жили в ледниковую эпоху от 250 до 35 тыс. лет назад в пещерах, группами по 50–100 человек. Они изготовляли разнообразные специализированные каменные орудия: ручные рубила, скребла, остроконечники и др. Мужчины коллективно охотились, женщины и дети собирали съедобные корни и плоды. Неандертальцы постоянно поддерживали и широко использовали огонь для приготовления пищи, одевались в шкуры. Для неандертальцев характерны: небольшой рост (155–165 см), низкий скошенный лоб и затылок, большой надглазничный валик, развитые лобные доли; объем мозга возрос до 1400 см3. Особенности строения нижней челюсти (слаборазвитый подбородочный выступ) указывают, что у них была зачаточная речь. Неоантропы – люди современного вида Человек разумный (Homo sapiens) – сменили древних людей около 50–40 тыс. лет назад. Некоторое время палеоантропы и неоантропы существовали совместно, а затем неандертальцы были вытеснены первыми современными людьми – кроманьонцами (их костные останки впервые были найдены в гроте Кроманьон во Франции в 1868 г.). Человек современного вида, вероятно, возник в Восточном Средиземноморье и в Передней Азии и затем широко расселился в остальных частях Земли. От него, видимо, произошли все современные человеческие расы. В целом, кроманьонцы обладали всем комплексом физических особенностей ныне живущих людей: рост до 180 см; мозговая часть черепа преобладала над лицевой, сплошной надглазничный валик отсутствовал; развитый подбородочный выступ указывал на хорошо развитую членораздельную речь; масса головного мозга не изменилась, но наиболее развитыми оказались лобные доли и зоны, связанные с развитием речи и мышления. На этом этапе эволюция вышла из-под ведущего контроля биологических факторов, и в развитии Человека разумного социальные отношения стали играть все возрастающую роль. 6.9. Биосфера и человек 195 Термин "биосфера" (от гр. bios – жизнь, sphere – шар, область) введен в научную литературу австрийским геологом Э. Зюссом в 1875 г. для обозначения особой оболочки Земли, населенной живыми существами. Целостное учение о биосфере в дальнейшем было разработано академиком В.И. Вернадским (1863–1945). Он распространил понятие биосферы не только на живые организмы, но и на среду их обитания. Биосфера, по Вернадскому – ”это область распространения жизни, включающая наряду с организмами и среду их обитания”. 6.9.1. Концептуальные подходы к изучению биосферы Биосфера – часть геологических оболочек Земли, структура и энергетика которых определяются совокупной деятельностью живых организмов. Биосфера охватывает часть атмосферы от поверхности Земли до озонового экрана, где на высоте свыше 20 км над уровнем моря встречаются споры бактерий и грибов, поднимаемые вихревыми потоками с поверхности Земли; занимает всю гидросферу (океаны, моря, реки, озера) и часть литосферы (внешней твердой оболочки Земли), опускаясь на глубину около 3 км ниже уровня суши и около 2 км ниже дна океана, где в водах нефтяных месторождений обитают анаэробные бактерии. В гидросфере жизнь простирается на всю ее глубину (свыше 11 км). Здесь ограничивающими факторами являются давление толщи воды и отсутствие света. Наиболее благоприятные условия для жизни – у поверхности суши и воды, поэтому здесь максимально сконцентрировано живое вещество (рис. 5.5). 196 А Т М О С Ф Е Р А Озоновый э кран Споры бактерий и грибов 22 км Поверхность суши Л И Т О С Ф Е Р А Океан 3 км Нефтяные воды А н а э р о б н ые б а к т е р и и Г И Д Р О С Ф Е Р А Донные отложения Океан Нефтяные воды 2 км Анаэробные бактерии Донные отложения Рис. 5.5. Строение биосферы. Таким образом, деятельность живых организмов объединяет все геосферы Земли (атмосферу, литосферу и гидросферу) в единую целостную систему, связанную обменом веществ и энергии. В современной науке выделяют ряд концепций биосферы, определяющих общий подход к изучению роли живых организмов в преобразовании Земли: * биогеохимическая концепция биосферы, связанная с рассмотрением сложных преобразований веществ в живых организмах. Практически все вещества земной коры вовлекаются в круговорот веществ в природе, и проходят через живые существа; * биогеоценотическая концепция, связанная с тем, что элементарной структурной и функциональной единицей биосферы является биогеоценоз, т.е. сообщество живых организмов, взаимодействующих друг с другом и средой обитания; 197 * кибернетическая концепция, связанная с изучением принципов организации и регулирования, осуществляющихся в живой природе в связи с трансформацией вещества, энергии и информации; * социально-экономическая концепция, связанная с рассмотрением деятельности человека, изменяющего окружающую природную среду. 6.9.2. Многообразие живых организмов – основа организации и устойчивости биосферы Учение Вернадского о биосфере представляет собой систему взглядов на планетарное и космическое значение жизни, на взаимосвязь и взаимодействие живой и неживой природы. Основы этого учения изложены Вернадским в книге “Биосфера” (1926), однако над развитием этого учения Вернадский работал вплоть до конца своей жизни. В учении Вернадского о биосфере проведено подразделение вещества биосферы на несколько разных, но геологически взаимосвязанных типов (рис. 5.6): живое вещество, образованное совокупностью организмов; биогенное вещество, которое создается и перерабатывается в процессе жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, нефть, каменный уголь, известняки и др.); косное вещество, которое образуется без участия живых организмов (продукты тектонической деятельности, метеориты); биокосное вещество, образующееся в результате совместной деятельности организмов и абиогенных процессов (почва, водная среда). ЖИВОЕ ВЕЩЕСТВО БИОКОСНОЕ ВЕЩЕСТВО Ж и вотн ы е Почва Р а стен и я Водная среда Грибы Б а к тер и и БИОГЕННОЕ ВЕЩЕСТВО КОСНОЕ ВЕЩЕСТВО 198 Базальт Известняк Уголь Гранит Нефть Рис. 5.6. Классификация вещества биосферы. Живое вещество представляет собой совокупность всех живых организмов, существующих на Земле в данный момент и образующих ее биомассу, которая равна примерно 2423,2 млрд. т сухого вещества. Биомасса растений суши составляет около 97%, животных и микроорганизмов – около 3 %. Биомасса на суше увеличивается от полюсов к экватору, в этом же направлении возрастает и количество видов. Так, в тундре насчитывается около 500 видов растений, в лесостепной зоне – до 2000, а во влажных тропических лесах – свыше 8000. Огромная биомасса сосредоточена в почве. Ее составляют корни растений, почвенные животные (кроты, черви, насекомые и их личинки и др.), водоросли, грибы, бактерии. В некоторых почвах биомасса одних только дождевых червей достигает 1,2 т/га. Количество бактерий в 1 г почвы измеряется сотнями миллионов. Мировой океан занимает свыше 75 % поверхности Земли. Объем воды в нем в 15 раз больше объема суши, возвышающейся над уровнем моря. Однако биомасса Мирового океана в 1000 раз меньше, чем суши. Она сосредоточена главным образом в поверхностном слое до 100 м. Биологическая продуктивность суши и океана примерно одинакова. Это объясняется тем, что обновление живых организмов в океане происходит во много раз быстрее, чем на суше. Так, одноклеточные водоросли океана обновляются несколько раз за год, а на обновление биомассы суши требуется 10–15 лет. Основную часть биомассы океана составляют животные (93,7%). Поверхность океана заполнена взвешенными микроскопическими организмами, перемещающимися течениями (планктон), основную массу которого составляют одноклеточные водоросли, простейшие и некоторые беспозвоночные. В толще воды находятся и активно плавающие животные, способные преодолевать большие расстояния (нектон). Это рыбы, киты, кальмары и др. Третью группу составляют организмы, обитающие на грунте и в грунте водоемов (бентос). Они представлены придонными растениями, губками, полипами, ракообразными, червями и др. Живое вещество составляет лишь 0,25 % всего вещества биосферы, однако играет ведущую роль в биогеохимических процессах благодаря совершающемуся в живых организмах 199 обмену веществ. Деятельностью живых организмов обусловлены химический состав атмосферы и гидросферы, формирование почвенного покрова литосферы. Живое вещество является наиболее мощным и активным в геологическом отношении веществом нашей планеты, способным совершать грандиозную по масштабам и последствиям геохимическую работу, заключающуюся в таких его функциях: * энергетическая функция, проявляющаяся в усвоении живым веществом солнечной энергии и передаче ее по трофической (пищевой) цепи; * газовая функция, благодаря которой сформировался современный состав атмосферы, заключающаяся в поглощении и выделении кислорода, углекислого газа и некоторых других газообразных соединений (метан, сероводород); * концентрационная функция, проявляющаяся в извлечении и избирательном накоплении живыми организмами химических элементов окружающей среды (азот, фосфор, кремний, кальций, магний), благодаря которому произошло образование залежей полезных ископаемых (известняк, торф, туф, каменный уголь); * окислительно-восстановительная функция, проявляющаяся в окислительно- восстановительных реакциях, лежащих в основе любого вида биологического обмена веществ, например, восстановление диоксида углерода до углеводов в процессе фотосинтеза и окисление их до диоксида углерода при дыхании; * деструкционная функция, в результате которой происходит разрушение отмершего органического вещества до минеральных соединений. 6.9.3. Биогеохимические циклы в биосфере Согласно учению Вернадского о биосфере, живое и неживое вещество биосферы связаны между собой биогеохимическими циклами. Биогеохимический цикл – процесс обмена веществом и энергией между компонентами биосферы, носящий циклический характер и обусловленный жизнедеятельностью живых организмов, поглощающих из внешней среды одни вещества и выделяющих в нее другие. Основным энергетическим источником биогеохимических циклов служит излучение Солнца в видимой части спектра, используемое в процессе фотосинтеза зелеными растениями для создания органических веществ, обеспечивающих пищей и энергией все остальные живые организмы. Биогеохимические циклы наиболее важных для живых организмов элементов, так называемых биогенных элементов, – углерода, азота, кислорода, водорода, серы, фосфора, 200 кальция, калия, кремния – являются ключевыми для понимания современного состояния биосферы. Биогеохимический цикл углерода начинается с фиксации атмосферного диоксида углерода зелеными растениями в процессе фотосинтеза. Часть образовавшихся при этом углеводов используется самими растениями для получения энергии, а часть потребляется животными. Мертвые растения и животные разлагаются, углерод их тканей окисляется и в виде диоксида поступает в атмосферу. Диоксид углерода выделяется также в процессе дыхания животных и растений. При разложении мертвых организмов без доступа кислорода образуются торф, каменный уголь, нефть. Человек использует их для получения энергии; диоксид углерода при этом возвращается в атмосферу. Таким образом, круг замыкается и начинается новый цикл включения углерода в органические соединения. Биогеохимический цикл азота включает в себя несколько основных этапов: * фиксация азота воздуха живыми организмами (бактериями и водорослями), обогащающими почву азотом при их минерализации; * поглощение азота корнями растений и транспортировка его в стебли и листья, где в процессе биосинтеза строятся белки; * использование белков растений в качестве питания животными; * разложение животных остатков с выделением аммиака, используемого бактериями, и образование нитратов, частично восстанавливаемых до элементарного азота, возвращаемого в атмосферу. Одновременно с круговоротом веществ в биосфере идет и превращение энергии. Биосфера в целом является открытой системой, постоянно принимающей солнечную энергию. В процессе фотосинтеза солнечная энергия превращается в химическую. Энергия используется растениями на процессы жизнедеятельности, а часть переходит к растительноядным организмам. Последние расходуют ее на процессы жизнедеятельности, частично она поступает к плотоядным животным и т. д. Таким образом, энергия запасается в тканях растений и животных в виде органических соединений, потребляемых другими животными и человеком. Часть энергии консервируется в нефти, угле, сланцах, торфе. Наряду с накоплением энергии в живых организмах происходит почти равное ему по масштабам выделение энергии при разрушении органических веществ в процессе дыхания, брожения и гниения. Так в биосфере поддерживается баланс энергии. Во время этих превращений происходят затраты энергии на процессы жизнедеятельности организмов. Потери энергии постоянно восполняются за счет световой энергии Солнца. 201 6.9.4. Эволюция биосферы Эволюция биосферы – процесс, связанный с образованием биосферы, расширением ее границ и изменением ее состава, включающий в себя как эволюцию живого вещества, так и следствие этой эволюции – изменение биокосного и биогенного вещества – почвы, наземных и подземных вод, атмосферы и т.д. Эволюция биосферы проходит в несколько этапов, среди которых выделяют три основных этапа: 1-й этап – появление на Земле в архейскую эру (3,5 млрд. лет назад) первых живых организмов – прокариотов – анаэробных организмов, способных жить и развиваться в отсутствие кислорода. По способу питания это были гетеротрофные организмы, т.е. поглощающие извне органические вещества. На Земле в это время не было свободного кислорода, а в первичном океане содержалось достаточно органических веществ абиогенного происхождения. Однако в дальнейшем в первичном океане стал ощущаться недостаток органических веществ, что привело к возникновению аутотрофных организмов, способных за счет внутренних процессов хемосинтеза, а потом – фотосинтеза перерабатывать неорганические вещества в органические. 2-й этап – возникновение фотосинтезирующих зеленых растений, благодаря которым произошло накопление кислорода в атмосфере, что привело к появлению живых организмов, способных жить и развиваться только при наличии в среде свободного кислорода (аэробных организмов). Накопление содержания кислорода в атмосфере привело к образованию в верхних ее слоях озонового экрана, не пропускающего губительные для жизни коротковолновые ультрафиолетовые лучи. Это позволило живым существам подняться на поверхность воды и выйти на сушу. Развитие механизмов аэробного дыхания сделало возможным появление многоклеточных организмов. Первые такие организмы появились при концентрации кислорода в атмосфере около 3 %. Уже в середине палеозойской эры (570– 230 млн. лет назад) содержание кислорода стабилизировалось на уровне около 2О%, так как к этому времени темпы потребления кислорода живыми организмами и его образования при фотосинтезе уравнялись. Благодаря этому установилось относительное постоянство состава атмосферы. 3-й этап – возникновение человеческого общества, являющегося частью биосферы, но управляемого социальными законами, не свойственными другим ее частям, и вступающего в противоречие с законами биосферы. 202 Первоначально действие человека на окружающую среду не отличалось от действия других организмов. Используемые человеком природные источники восстанавливались естественным путем, а продукты его жизнедеятельности поступали в общий круговорот веществ. Со временем рост численности населения и все возрастающее использование природных ресурсов превратились в мощный экологический фактор, нарушивший равновесие в биосфере. Первые два этапа, представляют собой процесс естественной самоорганизации биосферы, осуществляемый под воздействием чисто биологических факторов, т.н. период биогенеза; третий этап, связанный с появлением и развитием человеческого общества, называется ноогенезом. 6.9.5. Ноосфера. Путь к единой культуре. В учении Вернадского о биосфере развита концепция ноосферы. Ноосфера – это будущее эволюционное состояние биосферы, связанное с преодолением мировым человеческим сообществом негативных последствий воздействия человека на природу и с сознательным ее преобразованием с целью сохранения и умножения возобновляемых природных ресурсов для удовлетворения потребностей численно растущего человечества. Считая переход биосферы в ноосферу закономерным и естественным, Вернадский выделил ряд его предпосылок, среди которых: * научное и культурное объединение всего человечества; * открытие новых источников энергии; * подъем благосостояния и активности трудящихся; * исключение войн из жизни человеческого общества. Согласно Вернадскому, ноосфера – это гармоничное соединение природы и общества, торжество разума и гуманизма, это слитые воедино на благо человечества наука, общественное развитие и государственная политика, мир без оружия, войн и экологических проблем. Концепция ноосферы может рассматриваться как возможная модель будущей цивилизации. Следует иметь в виду, что стихийным, неуправляемым процессом биосфера может превратиться (и реально уже превратилась) лишь в техносферу и социосферу со всеми присущими им глобальными проблемами и противоречиями. Переход же биосферы в ноосферу 203 может быть осуществлен лишь в том случае, когда человечество сумеет организовать как собственную эволюцию, так и дальнейшую эволюцию биосферы в целом, действительно руководствуясь принципом “не навреди”. Концепция В.И. Вернадского о биосфере, переходящей в ноосферу, охватывает эволюцию жизни нашей планеты в единстве космических, геологических, биологических, антропогенных и техногенных факторов. 6.9.6. Охрана биосферы Необходимость охраны биосферы вызвана нарушениями сложившихся закономерностей в биосфере в результате деятельности человека, приведшей к загрязнению атмосферы и природных вод, снижению плодородия почв, истощению недр, исчезновению некоторых видов животных и растений. Основную цель охраны природы можно сформулировать следующим образом: это поиск таких методов эксплуатации биологических и минеральных ресурсов Земли, которые позволяют создать условия, оптимальные для всех связанных общей судьбой живых существ планеты, в том числе и человека. Для достижения этой цели необходима не только практическая деятельность по защите среды и сохранению ее в состоянии, пригодном для обитания, но и разъяснение важности этих проблем и мероприятий. Накопленные экологические данные позволяют надеяться на то, что при бережном отношении к воде, земле и природе вообще человечество сможет и в будущем обеспечить себя всем необходимым: пищей, жильем, промышленной продукцией, сохранить физическое и интеллектуальное здоровье и возможности для нормального отдыха. Охрана природы это совсем не то же самое, что охрана памятников старины, когда объект поддерживается в неизменном виде. Процессы, происходящие в биосфере чрезвычайно сложны и изменчивы, а значит и охрана природы должна быть гибкой и динамичной. Для эффективного управления природой необходимо знать, что происходит в окружающем нас мире. Вся деятельность по охране природы в неявном виде определена нашим отношением к миру, в котором мы живем. Это своего рода этика охраны природы; вкратце ее можно выразить следующим высказыванием: “Мы унаследовали мир от наших родителей, но гораздо больше взяли взаймы у собственных детей” Чтобы охрана природы была эффективна, необходима интеграция задач, которые ставит перед собой наука и общество. Длительное процветание человеческого общества возможно лишь при благополучном состоянии биосферы. Но на небольших отрезках времени цели 204 охраны природы часто находятся в противоречии с прогрессом в развитии общества и промышленности. Таким образом, результаты охраны природы часто бывают чрезвычайно противоречивы и многогранны. Ниже приводятся некоторые примеры того, какова практическая роль охраны природы. Сохранение генетического разнообразия. Это один из важнейших доводов в пользу охраны лесов нашей планеты, в частности, влажного тропического леса, обладающего высоким видовым разнообразием. Культурные растения и животные также являют собой источник генетического материала, для хранения которого созданы многочисленные, разбросанные по всему миру банки генофонда. Восстановление заброшенных земель, таких, как отвалы шахт и каменоломни и создание на их месте лесов, парков, или сельскохозяйственных угодий, а также создание новых участков суши – все это уменьшает давление цивилизации на мало нарушенные ландшафты сельской местности. Вторичное использование отходов значительно снижает расход сырья. Так, если бумагу не сжигать безо всякой пользы и не выбрасывать, а перерабатывать вновь, то потребности бумажной промышленности в древесине резко уменьшатся. Сохранение лесов на водоразделах предотвращает эрозию почв, слишком быстрый отток дождевой воды по склонам, и в то же время позволяет сберечь древесину, которую можно будет использовать в будущем. Сохранение ресурсов моря и суши. Охрана биосферы предусматривает совокупность международных и государственных административно-хозяйственных, технологических, политических, юридических и общественных мероприятий, направленных на сохранение, рациональное использование и воспроизводство природы Земли в интересах существующих и будущих поколений людей. К мероприятиям по охране биосферы могут быть отнесены: * усовершенствование очистных сооружений на промышленных предприятиях; * разработка замкнутых (безотходных) технологических процессов; * расширение сети заповедников с целью сбережения генофонда диких растений и животных (рис. 5.7); * создание центров разведения исчезающих животных и растений с их последующим возвращением в естественные места обитания. 205 ЗАПОВЕДНИК Рис. 5.7 . Заповедник – охраняемая природная территория. Вопросы охраны биосферы находятся под контролем специализированных учреждений ООН, в частности с 1971 г. ЮНЕСКО осуществляет международную программу ”Человек и биосфера” по координации фундаментальных исследований проблем управления естественными ресурсами. 6.9.7. Влияние космоса на земные процессы С конца XIX в. активно разрабатываются идеи космизма как особого мировоззрения, выражающего научно осмысленное, философско-эвристическое и эмоционально- личностное отношение к неразрывной взаимосвязи человека с космосом. А еще много раньше великий мыслитель И. Кант высказал глубочайшую мысль: “Две вещи наполняют душу всегда новым и все более сильным удивлением и благоговением, чем чаще и продолжительнее мы размышляем о них, – это звездное небо надо мной и моральный закон во мне”. Особенно значительный вклад в развитие космических идей внесли выдающиеся русские ученые А.Н. Бекетов, В.И. Вернадский, Н.А. Морозов, К.Э. Циолковский, А.Л. Чижевский. Разработка естественнонаучных аспектов теории космоса вылилась в крупные достижения астрономии, астрофизики, астрохимии, астробиологии и привели к возникновению теоретической и практической космонавтики. Проникновение космистских идей в различные сферы человеческой жизни свидетельствует о том, что космизация – это объективный процесс как часть и аспект совокупного научно-технического прогресса. Великим русским космистом был В.И. Вернадский, создавший учение о биосфере и ноосфере, обобщив данные физики, химии, биологии, геологии, геохимии, биохимии, а также истории и философии. Деятельность всех живых организмов и особенно человеческого общества В.И. Вернадский называл мощной геологической силой, а к научной мысли он относился именно как планетному явлению. Под биосферой он понимал планетарную об- 206 ласть распространения жизни, взятой в прошлом, настоящем и будущем. Под влиянием же научной мысли и человеческого труда биосфера переходит в новое состояние – ноосферу (сферу разума). Влияние космоса на земные процессы связывают, прежде всего, с воздействием солнечной активности. Температура центральных областей Солнца достигает 15 млн. градусов, а давление – сотен миллиардов атмосфер. В этих условиях идут ядерные реакции синтеза ядер водорода в ядра гелия, за счет которых и выделяется громадная энергия. Над ядром Солнца находится так называемая конвективная зона, а еще выше – атмосфера со слоями фотосферы, хромосферы и короны. Средняя температура поверхности Солнца 6000 градусов. Если толщина короны достигает десятков солнечных радиусов, то толщина фотосферы всего 300 км. Установлены разные периоды колебания солнечной активности. Через каждые 11–12 лет усиливаются факелы и пятна в фотосфере, вспышки в хромосфере, протуберанцы в короне. Все это оказывает заметное воздействие на атмосферу и биосферу Земли, на биологические и даже, как подчеркивал А.Л. Чижевский, на социальные процессы. Причем на Землю попадает менее одной миллиардной доли всей энергии, излучаемой Солнцем, но и этого достаточно для поддержания жизни на нашей планете. Циклические изменения солнечной активности проявляются на Земле в частоте и интенсивности магнитных бурь, полярных сияний, в колебаниях ультрафиолетовой радиации, степени ионизации верхних слоев атмосферы и т.п. Все это неизбежно сказывается на биосфере в целом, на телесном и психическом состоянии людей. В XX в. ученые все больше стали обращать внимание на зависимость социальных процессов (войн, революций, эпидемий, самых разнообразных массовых потрясений) от солнечной активности. В 1924 г. А.Л. Чижевский предупреждал: “Мы должны помнить, что влияние космических факторов отражается более или менее равномерно на всех двух миллиардах человеческих индивидов, ныне населяющих Землю, и было бы преступно игнорировать изучение их влияния, как бы тонко и неуловимо с первого взгляда оно ни было. В 1927–1929 годах следует предполагать наступления максимума солнцедеятельности По всему вероятию в эти годы произойдут вследствие наличия факторов социально-политического порядка крупные исторические события, которые снова видоизменят географическую карту”. И действительно последовал 1929 г. (“год великого перелома” в СССР). На периоды пика солнечной активности приходятся 1905, 1917, 1941 гг., а также 1991 г. (год августовских событий и последовавшего развала СССР). 207 Некоторые же авторы отмечают, что со всплесками солнечной активности коррелируют и всплески творческой активности ученых, особенно физиков-теоретиков. Конечно, не следует абсолютизировать значение подобных совпадений, но поразмышлять здесь есть над чем. 7. СОВРЕМЕННАЯ НАУКА О ЧЕЛОВЕКЕ 7.1. Здоровье и работоспособность человека Понимание проблемы здоровья человека и здорового образа жизни как важнейшей не только научной, но и практической проблемы пришло еще из Древней Греции – из трудов Гиппократа и Платона. Существенный вклад в развитие учения о здоровом образе жизни внесли врачи и гуманитарии Древнего Рима. О влиянии образа жизни на состояние человека писал медик и философ Средневековья Абу Али ибн Сина (Авиценна). Особое место проблема здорового образа жизни в плане разработки гигиенических рекомендаций занимает в деятельности немецкого врача Х. Гуфеланда (XVIII–XIX). Большое значение придавали образу жизни в укреплении здоровья человека русские врачи XVIII в. – С.Г. Зыбелин, Д.С. Самойлович, первой половины XIX в. – И.Е. Дядьковский, М.Я. Мудров, Н.И. Пирогов и другие. Философско-мировоззренческим и гигиеническим аспектам здорового образа жизни уделяли внимание прогрессивные деятели России XIX в. – А.И. Герцен, В.Г. Белинский, а позднее – Н.Г. Чернышевский, Н.А. Добролюбов и Д.И. Писарев. Здоровье – индивидуальное психосоматическое (душевно-телесное) состояние, выражающееся в способности человека оптимально удовлетворять основные жизненные потребности. Здоровье характеризуется биологическим потенциалом (наследственными возможностями), физиологическими резервами жизнедеятельности, нормальным психическим состоянием и социальными возможностями реализации человеком всех его задатков. В зависимости от того, кто является его носителем (человек, группа, население), выделяют следующие типы здоровья: * индивидуальное здоровье (человек, личность); * здоровье группы (семья, профессиональная или половозрастная группа); * здоровье населения (популяционное, общественное). В соответствии с типом здоровья выработаны показатели, посредством которых дается количественная и качественная его характеристика. Подавляющее большинство людей с детства настолько привыкает к состоянию, обозначаемому здоровьем, что задумывается о нем уже тогда, когда оно основательно подорвано 208 и человеку приходится обращаться к врачу. Здоровье человека закладывается в детстве и, согласно данным науки, оно обусловливается на 50% - образом жизни, на 20% - наследственностью, на 20% - состоянием окружающей среды и примерно на 10% - возможностями медицины и здравоохранения. Важное место в сохранении здоровья занимает физическая культура и спорт. В современной литературе существует более 100 определений понятия здоровья; исходным для них является определение, приведенное в Уставе Всемирной организации здравоохранения, согласно которому здоровье является состоянием полного физического, душевного и социального благополучия, а не только отсутствием болезней и физических дефектов. Поскольку ни одно существующее определение понятия здоровья не признается эталонным, о состоянии здоровья человека судят на основании объективных данных, полученных в результате антропометрических (физическое развитие), клинико- физиологических (физическая подготовленность) и лабораторных исследований, соотнесенных со среднестатистическими показателями с учетом половозрастных, профессиональных, временных, эколого-этнических и других поправок. В настоящее время вырабатывается “метрия здоровья”, т.е. количественно-качественное измерение здоровья. Выделяются до 5 уровней здоровья (рейтинг здоровья): от простого выживания до полноценной здоровой жизни (отличное здоровье). Определение уровней здоровья имеет большое практическое значение, так как позволяет решать большой спектр проблем от профессионального выбора до назначения рационального режима двигательной активности, питания, отдыха и т.п. О характере и направленности социальной политики государства судят, в первую очередь, по показателям здоровья населения, куда входят рождаемость и смертность, инвалидизация и продолжительность жизни, заболеваемость и мертворожденность и т.д. В связи с тем, что по основным показателям здоровья населения Российская Федерация существенно отстает от большинства промышленно развитых стран, первоочередной задачей государства является формирование политики всемерного стимулирования государственных и общественных организаций на развитие физкультурного движения в стране. Приведем основные принципы здорового образа жизни: * индивидуально и общественно полезная духовная или физическая деятельность (творцом здорового образа жизни является человек как существо деятельное в биологическом и социальном отношении); 209 * отказ от вредных привычек (злоупотребления алкоголем, курения, наркотиков и токсических веществ); * соблюдение принципов рационального питания (сбалансированного качественно – белки, жиры, углеводы, витамины, микроэлементы и количественно – энергетическая ценность потребляемых продуктов и расход энергии в процессе жизнедеятельности); * рациональная двигательная активность; * соблюдение общечеловеческих норм и принципов морали, регулирующих все сферы жизнедеятельности человека и т.д. На соблюдение принципов здорового образа жизни влияют как субъективные, так и объективные факторы. К субъективным факторам относится сознательное соблюдение на практике принципов здорового образа жизни отдельным человеком, семьей, группой людей, что немыслимо без физической культуры и массового спорта. Среди объективных факторов нужно отметить качество окружающей среды (состояние воздуха, воды, почвы), продуктов питания, жилища, одежды, обуви, доступность физкультурно-спортивных комплексов и сооружений (стадионов, бассейнов, оздоровительных центров, а также спортивного инвентаря) и т.д. Как показывает опыт экономически развитых стран (Япония, Норвегия, США, ФРГ, Франция и т.д.), государство осуществляет целенаправленную политику обеспечения реальных возможностей ведения своими гражданами здорового образа жизни, стимулируя их экономически и поощряя морально и психологически, поскольку это выгодно и государству, и человеку. Поэтому целесообразно говорить о связи здорового образа жизни и политики, роли и месте государственной политики в здоровом образе жизни. Работоспособность человека определяется, прежде всего, индивидуальными свойствами личности, ее здоровьем и созданием системы условий для поддержания трудовой деятельности человека. Во многих странах приняты нормы безопасных пределов содержания в воздухе производственных помещений пыли, газов, паров; температуры и влажности воздуха, интенсивности и громкости шума, частоты и амплитуды вибраций, степени ионизирующего излучения и т.д. Новые формы деятельности человека, связанные с автоматизацией производства, компьютеризацией и т.д. предъявляют к центральной нервной системе человека и его органам чувств (особенно к зрению) повышенные требования. Задачей сохранения работоспособности при подобного рода деятельности является, в первую очередь, установление режима 210 труда и отдыха, включающего физкультурные упражнения, разработанные с учетом условий труда. 7.2. Физиология человека Физиология (от греч. fysis – природа и logos – наука) – наука о процессах, протекающих в организме человека, о его функциях. Предметом физиологии является изучение жизнедеятельности целостного организма во взаимодействии его с окружающей средой в различных условиях существования. Возникновение первых представлений о физиологических функциях относится к глубокой древности. Но основы физиологии как науки были заложены трудами исследователей XVI–XVIII вв. (анатомические исследования А. Везалия, М. Сервета, открытие кровообращения У. Гарвеем, рефлексов – Р. Декартом, биоэлектрических явлений – Л. Гальвани и др.). Во второй половине XIX в., когда были сделаны три великих открытия в естествознании – закон сохранения энергии, создана клеточная теория и разработано эволюционное учение (дарвинизм) – физиология, как наука, получила теоретическую базу. К этому времени были накоплены многочисленные экспериментальные факты, но отсутствовали сколько-нибудь значительные теоретические представления о связи различных функций организма между собой. Во второй половине XIX в. наибольшие достижения имели место в изучении функций отдельных органов и физиологических систем организма, а также регуляции и координации их деятельности. Была выявлена тесная связь между строением органов и их функцией. Тонкие наблюдения и блестящие эксперименты выдающихся французских исследователей Ф. Мажанди, К. Бернара, Э. Марея, немецких – Г. Гельмгольца, Э. Пфлюгера, Э. Дюбуа-Реймона, итальянского ученого А. Массо, русских – И.М. Сеченова, И.П. Павлова, Б.Ф. Вериго, Н.Е. Введенского и др. дали возможность более детально изучать деятельность сердечно-сосудистой системы, органов чувств, дыхательного аппарата, желудочнокишечного тракта, органов выделения, мышц, обмена веществ и др. Во второй половине XIX в. и в первой половине XX в. широко развернулось изучение функций нервной системы. Была выдвинута рефлекторная теория нервной деятельности и на ее основе дана общая характеристика физиологии центральной нервной системы. Важнейшее значение имели работы Сеченова, которыми были заложены основы изучения функций общего отдела нервной системы, – головного мозга – как материального субстрата психических явлений. И.П. Павлов и его ученики создали новый раздел физиологии, 211 имеющий первостепенное значение для материалистического естествознания, – учение о высшей нервной деятельности человека. Успехам физиологии в немалой степени способствовало развитие физики, химии, техники (особенно радиотехники, электроники, кибернетики). Сложные физические и химические методы исследования (осциллография, электроэнцефалография, энцефалоскопия, электронная микроскопия, рентгенография, методы радиоактивных изотопов и т.д.) позволили проникнуть в сущность процессов, совершающихся не только в различных органах и физиологических системах, но и в клетках и в частях клетки. 7.3. Мозг и сознание 7.3.1. Сознание – функция мозга Достоверные факты свидетельствуют о том что, сознание есть только там и тогда, где есть здоровый, нормально функционирующий головной мозг человека. Смерть мозга, даже когда искусственно продолжается кровообращение в теле и дыхание легких, отождествляется специалистами с биологической смертью человека. Остановка сердца и прекращение дыхания, как критерии смерти, стали весьма относительными критериями. Вопрос о наступлении смерти связывается с вопросами о времени и механизмах возникновения необратимых изменений в организме в целом и головном мозгу в частности. Нарушения метаболизма мозга, в первую очередь кислородное голодание, приводят к нарушениям сознания от небольших отклонений до глубокой комы, т.е. полного прекращения контакта с окружающим миром. Современная наука конкретизирует представления о прямых и обратных связях сознания и мозга. В последние десятилетия усиленно развивались нейрокибернетические модели мозговой деятельности, психофармакологические исследования измененных состояний сознания, представления о локализации психических функций, изучение функциональной асимметрии мозга и психофизиология чувственного отображения. Все эти исследования существенно обогатили наши представления о функциях головного мозга. Успехи исследования головного мозга, все более глубокое понимание переработки информации в мозгу и способов ее кодирования открывают новые возможности самосовершенствования человека. Но эти завоевания науки могут быть использованы для создания средств психического контроля над личностью и обращены во вред людям. Ведь расшифровка нейродинамического кода приведет к повышению степени “открытости” субъективного мира личности. 212 Фундаментальным свойством головного мозга является его асимметрия. Она проявляется в раннем детстве, нарастает и достигает максимума к зрелому возрасту и значительно ослабевает в старости. Только парная работа асимметричных по функциям полушарий мозга обеспечивает ясное сознание человека. Опознание голосов животных и птиц, музыкальный слух и музыкальные способности – дело правого полушария. Больные с повреждением левого полушария, вызвавшим глубокие нарушения речи вплоть до полной немоты, сохраняли способность воспроизводить известные им мелодии, даже напевать простые песенки. Известны случаи, когда из-за левостороннего повреждения мозга выдающиеся композиторы теряли речь, но сохраняли способность сочинять музыку. Наоборот, очень незначительные повреждения определенных областей правого полушария, не вызывая нарушения речи, приводили к потере музыкальных способностей: нарушалось пение, игра на музыкальных инструментах, исчезал дар композиции. Не только теоретически, но и практически важно учитывать психические особенности правшей и левшей. 7.3.2. Смерть мозга и морально-этические и правовые проблемы По вопросам необратимых изменений в функционировании мозга при быстром и медленном умирании человека написано много книг и статей. При медленном умирании нарушения сознания нарастают в течение десятков минут или многих часов. При внезапной остановке сердца запасов кислорода в мозгу хватает для поддержания сознания примерно на 5–7 мин. Возникает энергетический дефицит, нарушается обмен ионов, электрическая активность мозга, а затем и структура нейронов и других клеток мозга. Однако до 60 мин, как это установили сейчас, все эти изменения считаются обратимыми. Необходимо вместе с тем учитывать, что при остановке сердца, кроме изменений в мозгу, происходят изменения и в сердце, печени, почках, эндокринных железах, крови, кишечнике, иммунной системе, которые усиливают развитие необратимых изменений. При длительном умирании развитие необратимых нарушений в плохо снабжающихся кровью областях мозга происходит еще до наступления остановки сердца. Подобные изменения поражают и внутренние органы. Таким образом, необратимость изменений, исключающая возможность полноценного восстановления функций мозга, происходит в организме еще до остановки сердца. Но и при умирании от внезапной остановки сердца, когда примерно в течение часа отсутствуют необратимые изменения, полноценное восстановление функций мозга оказыва213 ется достижимым только в период 4–5 мин. В чем дело? В том, что в ходе постреанимационного процесса действует не только механизм восстановления и компенсации, но и новые патологические процессы. Краткость сроков клинической смерти определяется не только изменениями в ходе умирания, но и специфическими постреанимационными воздействиями. Но уже сейчас эти воздействия могут быть в большой мере нейтрализованы в ходе реанимации и после нее. Это позволяет значительно удлинить сроки клинической смерти (в экспериментах иногда до 25–28 мин, в клинике – иногда до 12, а то и до 20 мин). Постепенно накапливаются клинические наблюдения, свидетельствующие, что процесс формирования необратимых изменений в мозгу может растягиваться на многие недели. Теперь о состояниях смерти мозга. При этом сохраняется, хотя и поддерживаемая искусственно, сердечная деятельность – традиционный признак жизни. Равенство смерти мозга биологической смерти признано законодателями или медицинскими ведомствами большинства стран. Однако для широких кругов населения и даже для многих врачей и особенно медсестер это не столь очевидно. Первая проблема, возникающая перед врачом – проблема абсолютной надежности диагноза смерти мозга. Ошибка может повлечь, по сути дела, убийство жизнеспособного человека. Второе. Далеко не все врачи и медсестры готовы пережить душевный конфликт, который они испытывают при прекращении реанимационных мероприятий после установления диагноза смерти мозга. У многих возникает нервный срыв при полном понимании правомерности выполняемого дела. Третьей является проблема информирования и получения согласия родных, на прекращение реанимации. Указанные вопросы требуют правового урегулирования. Должна быть регламентирована процедура принятия решения об ограничении медицинской помощи или прекращения реанимационных мероприятий больным со стойкими нарушениями сознательного контакта с окружающим миром. Следует установить юридическую ответственность врачей за нарушение инструкции по установлению смерти мозга и ее правильную диагностику. 7.4. Структура субъективного мира человека 7.4.1. Эмоции, чувства и интеллект Человеческое сознание представляет сложную, разветвленную и относительно самостоятельную систему, объединяющую в единое целое эмоции, мышление и одухотворенные чувства. 214 В различных отношениях сознание человека выступает как его ум, честь и совесть, как его рассудок, разум и мудрость, как самосознание и душа, как индивидуальное проявление духа времени – общественного сознания на конкретном этапе его исторического развития. Субъективный мир человека, представляющий для него самого его собственное Я, являющийся его внутренним миром, можно назвать информационной надстройкой над индивидуальным телесным и материальным общественным бытием человека. Это определение вполне соответствует тому, что сознание человека и по способу существования и по содержанию есть отражение материи в той мере, в какой она проявилась в его собственном бытии. В эмоциональной сфере сознания различают элементарные эмоции (голод, жажда, усталость), чувства (любовь, ненависть, горе, радость), аффекты (ярость, ужас, отчаяние), страсти и эмоциональное самочувствие, настроение (веселое, подавленное), особо сильные состояния эмоциональной напряженности, – стрессы. Эмоции представляют собой реакции человека на воздействие внешних и внутренних раздражителей, имеющие ярко выраженные субъективную окраску и охватывающие все виды чувствительности. Различают положительные эмоции – радость, наслаждение, удовольствие – и отрицательные – грусть, печаль, неудовольствие. Разные виды эмоций сопровождаются различными физиологическими изменениями в организме и соответствующими психическими проявлениями. Например, при печали, смущении, испуге, понижается тонус скелетной мускулатуры. Печаль характеризуется спазмом сосудов, испуг – расслаблением гладкой мускулатуры. Гнев, радость, нетерпение сопровождаются повышением тонуса скелетной мускулатуры, при радости расширяются сосуды, при гневе расстраивается координация движений, увеличивается содержание сахара в крови. Эмоциональное возбуждение мобилизует все имеющиеся у организма резервы. Более тонко работает интеллектуальная сфера, память. В кровь поступает значительное количество адреналина, усиливается работа сердца и повышается артериальное давление, растет газообмен, расширяются бронхи, увеличивается интенсивность окислительных и энергетических процессов в организме. Резко изменяется характер деятельности скелетных мышц, т.е. они могут включаться в работу одновременно, а не поочередно. Блокируется процесс, тормозящий мышечную деятельность при утомлении. В процессе эволюции эмоции сформировались как механизм приспособления, огромную роль в жизни человека играют положительные эмоции. Они важны для сохранения его здоровья и работоспособности. 215 В чувствах человека объекты отражаются в форме переживания и оценочного отношения к ним. Отражение объекта и отношение к нему связаны, но не совпадают полностью. Отражение может быть одинаковым, а отношение – разным. В чувствах человека наряду с объективными свойствами оценивается значимость вещей для самого его и для других людей. Психологи и философы ставят вопрос, – применимы ли к чувствам критерии истинности? В каждом субъективном переживании есть объективное содержание. Поэтому допускается, что чувства можно оценивать как умные или глупые, адекватно (верно) или неадекватно (неверно) отражающие ценности вещей и событий. Р. Декарт, например, считал любовь и ненависть истинными тогда, когда любят действительно хорошие вещи, и ненавидят действительно дурные вещи. В случае резкого расхождения чувств и объективной реальности, когда “ум и сердце не в ладу”, человек может испытывать острый внутренний конфликт вплоть до необратимого душевного расстройства. Чувства и сознание взаимосвязаны. Нарушение сознания начинается с расстройства сначала эмоциональной сферы, затем нарушается мышление, за ним - самосознание. Если человек не осознает опасности, он не испытывает и страха. Если кто-либо не сознает нанесенного оскорбления, он не переживает и гнева. Если нет совести, то нет и осознания своей вины и раскаяния. С участием мышления и чувств осуществляется вся деятельность людей. Потребности переживаются в виде желаний и влечений. Влечение - психофизический феномен. Человек зависит от того предмета, к которому его влечет. Когда этот предмет находится, то влечение приобретает характер желания. “Желание есть влечение с сознанием его”. В той мере, в какой потребности осознаются человеком, они становятся его интересом и непосредственным стимулом определенной деятельности. Можно выстроить и несколько другой ряд понятий. Чтобы понять смысл какой-либо человеческой деятельности, надо уяснить ее мотивы – осознанные основания, цели, намерения определенного поведения. За одними и теми же действиями могут скрываться разные мотивы. Мотив – это уже моральный фактор, превращающий действие в поступок. Но не всякое поведение человека разумно мотивировано. Намерение требует для своего осуществления воли, неуклонного действия в избранном направлении. 216 7.4.2. Сознание и самосознание Развитое сознание неразрывно связано с самосознанием, которое является особым аспектом сознания, усиливающим противопоставление не только знания предмету знания, но и субъекта объекту. В самосознании ярче проявляется та особенность сознания, что оно присуще только общественно развитому человеку. У больного шизофренией сознание может нарушиться настолько, что он перестает адекватно воспринимать не только другие предметы, но и самого себя, принимая себя за других людей. Самосознание – не только самопознание, но и самооценка, выражение определенного отношения к самому себе, своим способностям и поведению. Оно предполагает самоанализ и самоконтроль своего состояния и поведения. На уровне самосознания человеческое Я предстает не как исходная первичная данность, а как результат осмысления имеющейся информации о себе – своих ощущениях, мыслях, самочувствии и особенно об отношении к себе со стороны других людей. Самосознание опосредовано осознанием других людей и наоборот. Самооценка включает оценку своей внешности. Поэтому одним из источников самооценки служит видение своего отражения (в воде, зеркале и т.п.). При этом происходит как бы физическое отстранение, абстрагирование от самого себя и зрительное восприятие, наблюдение своего внешнего облика. Животные же не узнают себя в зеркале. И это означает, что они не выделяют себя из окружения, не осознают себя. Показательно, что образование представления о себе невозможно без способности к речи. Человек понимает себя, подбирая для выражения этого только такие слова, которые становятся понятными другим людям. Особую роль в формировании самосознания сыграло развитие письменной речи. Здесь участвуют и слуховой, и речедвигательный, и зрительный аппараты вместе с моторикой пишущей руки. Аналогичную роль играют художественные произведения. Близко, но не тождественно самосознанию самочувствие – своеобразный настрой жизненных проявлений личности. Основу данного психического состояния образует органическое самочувствие – определенный жизненный тонус, совокупность органических ощущений и вызываемых ими переживаний. Органические ощущения голода, сытости, жажды, наслаждения, боли и т.п. образуют “нижний пласт” развитого самосознания. Допускается, что у животных самосознания еще нет, но уже имеется самочувствие как ощущение самого себя. Познание человеком самого себя развивалось вместе с развитием его трудовой деятельности и вместе с познанием ее самой. История естествознания свидетельствует, что человек разобрался в устройстве глаза лишь после того, как были сконструированы оптические 217 приборы. Механизм слухового восприятия с помощью кортиевого органа, своего рода струнного инструмента раскрыт по аналогии с арфой или роялем. И.П. Павлов в анализе рефлекторной деятельности мозга использовал терминологию физики электричества и электротехники. И вообще знание электрических и магнитных явлений оказалось очень полезным в развитии физиологии мозга. Сейчас же огромную роль в познании мозга играет кибернетическое моделирование. Самосознание базируется на способности человека к абстрактному мышлению, на способности отделять общее от отдельного, отношения от соотносящихся вещей. Сама эта способность родилась именно в трудовой деятельности, требующей постоянно соотносить образ – цель с ходом ее достижения, чтобы не сбиться с пути, ведущего к намеченной цели. Так рождается способность сначала оперировать с идеальным планом вещей, а затем уже и с самими вещами. Только на этой основе человек стал разделять себя на “Я – субъект” и “Я – объект” и ставить их в отношение друг к другу. А это и значит, что человек, таким образом, поднялся до уровня самосознания, до осознания своего отношения к миру и самому себе именно как отношения. В отличие от человека, достигшего уровня самосознания, для животного его отношение к другим не существует как отношение. Дикарь, инстинктивный человек тоже не выделял себя из природы. Факты тотемизма свидетельствуют о том, что человек раннеродового общества отождествлял себя с животными, растениями и другими природными объектами, которые выступали для него как бы продолжением его тела. Не выделял себя первобытный человек и из рода. Он выступал не как отдельная личность, а как представитель всего своего рода. Первоначально выделял себя и противопоставлял окружающему миру, другим людям не отдельный человек, а род - как единое целое. Каждый отвечал за свой род, а род за каждого своего члена. Именно род выступал как правовой и иной субъект, а не отдельный человек. Первоначальная слитность индивида с коллективом и последующее выделение личности из коллектива, осознание ею самой себя нашли отражение в употреблении первобытными народами имен. Имена собственные первоначально обозначали не столько отдельного человека, сколько его принадлежность к данному роду. Каждый род имел личные имена, которые не могли употреблять другие рода того же племени. Если ребенку давали имя из чужого рода, то уже сам по себе этот факт переводил ребенка в тот род, которому принадлежит это имя. 218 Со временем человек все более начинал осознавать и выделять себя из коллектива. Словесное обозначение человека именем собственным явилось речевой формой выражения его индивидуального осознания. На этом этапе человек стал обозначать себя личным местоимением. Личные местоимения засвидетельствованы в самых ранних памятниках письменности. Такова же последовательность в развитии самосознания ребенка. Словесное обозначение им себя местоимением “я” выражает психологический сдвиг в становящейся личности, самоотождествление ребенка с самим собой и выделение им себя среди других людей, соотнесение себя с ними. На определенной ступени развития самосознания возникла категория совести, способность человека оценивать свои поступки, мысли, чувства в соответствии с существующими в конкретном коллективе нормами поведения. Самосознание не могло возникнуть вне труда и общества, но и общество, и труд не смогли бы успешно развиваться без самосознания людей. 7.4.3. Сознательное и бессознательное В биологической классификации человек представлен как вид Homo sapiens, т.е. как существо разумное. В психологии XX в. одним из наиболее характерных, применительно к человеку, стало понятие бессознательного. Символом XX в. стало имя З. Фрейда – исследователя бессознательного. Сам он утверждал, что ему удалось нанести одну из самых тяжелых ран по самолюбию человека. Первую такую рану нанес Н. Коперник, подчеркнув, что Земля не является центром Вселенной. Вторую – Ч. Дарвин, установив родство человека с обезьяной. Фрейд же показал, “что человек не является хозяином в собственном доме”, что бессознательное властвует над сознанием. И.П. Павлов сравнивал себя с Фрейдом так: “Когда я думаю сейчас о Фрейде и о себе, мне представляются две партии горнорабочих, которые начали копать железнодорожный туннель в подошве большой горы – человеческой психики. Разница состоит, однако, в том, что Фрейд взял немного вниз, и зарылся в дебрях бессознательного, а мы добрались уже до света”. Фрейд разработал эмпирический метод психоанализа, основанный на наблюдении и самонаблюдении, на изучении подсознательных состояний психики путем расшифровки того, как они проявляются в символах, сновидениях, свободных ассоциациях, фантазиях, обмолвках и описках, зарисовках, невротических симптомах и т.п. Это полезный медикопсихологический метод. Но Фрейд преувеличил его значение, превратил его в общий и 219 чуть ли не единственный метод изучения психики и даже всего общества, всей его культуры в целом. Фрейд принизил роль разума и биологизировал социальные явления. Бессознательное не аморфно, оно имеет структуру. Элементом бессознательного являются ощущения, далеко не все они становятся фактом сознания. Таковы, например, многие условные рефлексы на раздражения внутренних органов. Любое наше автоматизированное действие имеет неосознанный характер. Бессознательное проявляется и в импульсивных действиях, когда человек не дает себе отчета в последствиях своих поступков. Бессознательное проявляется в информации, которая накапливается в течение всей жизни в качестве опыта, и оседает в памяти. В регулировании поведения человека играют свою роль многие впечатления, полученные в раннем детстве и осевшие в глубинах неосознанной психики. Проявлением бессознательного служит установка – направленность личности на активность в каком-либо виде деятельности, устойчивая ориентация по отношению к определенным объектам. Насыщен проявлениями бессознательного мир сновидений. Огромную роль бессознательное играет в творчестве, в интуиции. Сознательная деятельность возможна лишь при условии, когда максимальное число ее элементов осуществляется автоматически. Сознание следит лишь за общей картиной, но в любой момент оно должно быть в состоянии взять под контроль автоматизированное действие, остановить, замедлить или ускорить его. Стремление же контролировать все детали процесса может привести к дезорганизации его хода, к сомнениям, страхам, нерешительности. Чрезмерное вмешательство сознания в подсознательные действия – один из симптомов некоторых болезненных состояний. Излишнее опасение заранее, не подведет ли память на экзамене, может на самом деле привести к забыванию нужного материала. Замечено, что стоит только думать во время ходьбы о каждом моменте движения, и ходьба становится скованной, несвободной. В сказке Оскара Уайльда когда сороконожку спросили, как она ходит, она задумалась и... перестала ходить. Интересный материал о сознательных и бессознательных действиях дают современные исследования мозга человека, раскрывающие различия в физиологическом механизме их осуществления. 7.4.4. Память Память представляет собой свойство человека запечатлевать, узнавать и воспроизводить то, что он ранее воспринимал, переживал, делал, о чем думал. Накопление, хранение и обработка информации – важнейшее свойство нервной системы человека. Запоминание бы220 вает осмысленным (логическим), основанным на понимании того, что запоминается, и механическим, основанным только на повторении, без понимания смысла. Различают два вида памяти: кратковременную и долговременную. В основе кратковременной памяти лежит циркуляция нервных импульсов по замкнутым нейронным цепям. Это может продолжаться от нескольких секунд до 10–20 минут. Информация, хранящаяся в кратковременной памяти, быстро "стирается". Материальной основой долговременной памяти являются различные структурные изменения в цепях нейронов, вызванные электрохимическими процессами возбуждения. В долговременной памяти информация хранится в доступном для извлечения виде. В настоящее время найдены пептиды, вырабатываемые нервными клетками и влияющие на процесс памяти. Определенная роль в формировании памяти принадлежит эмоциям: при эмоциональном возбуждении усиливается циркуляция нервных импульсов по цепям нейронов. Различают зрительную, слуховую, осязательную память, в зависимости от того, какой из анализаторов играет в этом процессе главную роль. 7.4.5. Творчество Творчество может рассматриваться в двух аспектах - философском и психологическом. Философия рассматривает вопрос о сущности творчества, который по-разному ставился в различные исторические эпохи. Творчество – это деятельность человека, преобразующего природный и социальный мир. Творчество как созидательная деятельность характеризуется неповторимостью, оригинальностью и общественно-исторической уникальностью. В психологии творчество изучается как психологический процесс созидания нового и как совокупность свойств личности, обеспечивающих ее включенность в этот процесс. Творчество как процесс изучалось первоначально на основе самоотчетов деятелей искусства и науки. Некоторые естествоиспытатели – Г. Гельмгольц, А. Пуанкаре – выделили в этих самоотчетах несколько стадий в процессе творчества от зарождения замысла до момента, когда в сознании возникает новая идея. Английский ученый Г. Уоллес в 1924 г. выделил в процессе творчества четыре стадии: подготовку, созревание идеи, озарение и проверку. Совокупность психических свойств, характерных для творческой личности, стала объектом конкретно-научного исследования с использованием тестов и методик их обработки и 221 анализа. При оценке творческих способностей личности особая роль отводится воображению, гибкости ума. Разрабатываются методики стимуляции группового творчества. Успехи кибернетики, передача техническим устройствам умственных операций, поддающихся формализации, резко повысили интерес к творческим действиям личности, которые не могут быть формализованы. СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД В ЕСТЕСТВОЗНАНИИ 8. Системный подход как характерная особенность науки и техники XX в. представляет собой определенный этап в развитии методов познания, пришедший на смену концепциям механицизма, широко распространенным XVII–XIX вв. В основе системного подхода лежит разработка методов исследования и конструирования сложноорганизованных объектов – систем разных типов и классов. Системный подход, получивший широкое распространение в современном научном познании, ориентирует исследователя на целостный охват изучаемых процессов и явлений в их взаимосвязи и взаимодействии с другими явлениями и тем самым предостерегает его от односторонности, неполноты и ограниченности результатов. 8.1. Принципы эволюции систем Эволюционный взгляд на явления, события и процессы помогает понять их роль в общем процессе развития, а самоорганизация раскрывает некоторые внутренние механизмы эволюции. Классическая термодинамика в своем анализе систем в значительной мере абстрагировалась от их реальной сложности, в частности, отвлекалась от их взаимодействия с внешней средой. Поэтому ее исходное понятие закрытой, или изолированной, системы не отражало действительного положения вещей и приводило к противоречию с результатами исследований в биологии и социальных науках. Действительно, теория эволюции Дарвина свидетельствовала, что живая природа развивается в направлении усовершенствования и усложнения новых видов растений и животных. История, социология, экономика, и другие социальные и гуманитарные науки показывали, что в обществе, несмотря на отдельные зигзаги и движение вспять, в целом наблюдается также прогресс. В противоположность этому классическая термодинамика утверждала, что физические и другие системы неживой природы эволюционируют в направлении усиления их беспорядка, разрушения и дезорганизации. В таком случае становилось непонятным, каким образом из неживой природы, системы которой имеют тенденцию к дезорганизации, могла по222 явиться когда-либо живая природа, где системы, напротив, стремятся к совершенствованию и усложнению своей организации. Все это показывало, что результаты исследования классической термодинамики находились в явном противоречии с тем, что было хорошо известно из биологии, истории, социологии и других общественных наук. Важно также подчеркнуть, что сами понятия времени и эволюции по-разному интерпретировались в прежней термодинамике, с одной стороны, и в биологии, социологии и истории, с другой. В самом деле, так называемая стрела времени связывалась в термодинамике с возрастанием энтропии системы, с усилением ее беспорядка и дезорганизации, тогда как в биологии и социологии она рассматривалась, наоборот, с точки зрения становления и совершенствования системы, увеличения в ней порядка и организации. Если эволюция в неживой природе истолковывалась как постепенное движение систем к их разрушению и дезорганизации, то в живой природе, наоборот, как медленное поступательное движение к усилению организации систем, их совершенствованию и усложнению. Недаром же вскоре после того как было сформулировано второе начало термодинамики, появились мрачные прогнозы о "тепловой смерти" Вселенной. В чем же заключаются причины такого противопоставления точек зрения на понятия времени и эволюции? Как можно было разрешить противоречие, возникшее между представлениями классической термодинамики и биологии, социологии и истории? Очевидно, что для этого необходимо было пересмотреть те исходные понятия и принципы, которых придерживалась старая, классическая термодинамика, потому что они не соответствовали действительности, нашим наблюдениям, а также результатам исследований в биологических и социальных науках. Опыт и практическая деятельность свидетельствовали, что понятие закрытой, или изолированной, системы представляет собой далеко идущую абстракцию и потому она слишком упрощает и огрубляет действительность, поскольку в ней трудно или даже невозможно найти системы, которые бы не взаимодействовали с окружающей средой, состоящей также из систем. Поэтому в новой термодинамике место закрытой, изолированной, системы заняло принципиально иное фундаментальное понятие открытой системы, которая способна обмениваться с окружающей средой веществом, энергией и информацией. Одно из первых определений этого понятия принадлежит выдающемуся австрийскому физику Э. Шредингеру (1887–1961), который сформулировал его в своей книге "Что такое жизнь? С точки зрения физика". В ней он ясно указал, что законы физики лежат в основе образования биологических структур, и подчеркнул, что характерная особенность биоло223 гических систем состоит в обмене энергией и веществом с окружающей средой. Он писал: “Средство, при помощи которого организм поддерживает себя постоянно на достаточно высоком уровне упорядоченности (равно на достаточно низком уровне энтропии), в действительности состоит в непрерывном извлечении упорядоченности из окружающей его среды”. Взаимодействуя со средой, открытая система не может оставаться замкнутой, ибо она вынуждена заимствовать извне либо новое вещество или свежую энергию и одновременно выводить в среду использованное вещество и отработанную энергию. Поскольку между веществом (массой) и энергией существует глубокая взаимосвязь, выражаемая уравнением Эйнштейна: E = mc 2 , то можно сказать, что в ходе своей эволюции система постоянно обменивается энергией с окружающей средой, а следовательно, производит энтропию. Но в отличие от закрытых систем эта энтропия, характеризующая степень беспорядка в системе, не накапливается в ней, а удаляется в окружающую среду. Это означает, что использованная, отработанная энергия рассеивается в окружающей среде и взамен ее из среды извлекается новая, свежая энергия, способная производить полезную работу. Такого рода материальные структуры, способные диссипиировать, или рассеивать, энергию, называются диссипативными. Отсюда становится ясным, что открытая система не может быть равновесной, потому что ее функционирование требует непрерывного поступления из внешней среды энергии или вещества, богатого энергией. В результате такого взаимодействия система, как указывает Шредингер, извлекает порядок из окружающей среды и тем самым вносит беспорядок в эту среду. Очевидно, что с поступлением новой энергии или вещества неравновесность в системе возрастает. В конечном счете, прежняя взаимосвязь между элементами системы, которая определяет ее структуру, разрушается. Между элементами системы возникают новые связи, которые приводят к кооперативным процессам, т.е. к коллективному поведению ее элементов, – самоорганизации. 8.2. Самоорганизация в живой и неживой природе В открытых системах (т.е. обменивающихся с окружающей средой веществом и энергией) физической, химической, биологической и др. природы, находящихся вдали от термодинамического равновесия, возможно взаимодействие элементов и подсистем, приводящее к их согласованному, кооперативному поведению, и в результате, – к образованию новых устойчивых структур и самоорганизации. 224 Наглядной иллюстрацией процессов самоорганизации может служить работа лазера, с помощью которого можно получать мощные оптические излучения. Не вдаваясь в детали его функционирования, отметим, что хаотические колебательные движения составляющих его частиц благодаря поступлению энергии извне, при достаточной его "накачке", приводятся в согласованное движение. Они начинают колебаться в одинаковой фазе, и вследствие этого мощность лазерного излучения многократно увеличивается. Этот пример свидетельствует, что в результате взаимодействия со средой за счет поступления дополнительной энергии прежние, случайные колебания элементов такой системы, как лазер, превращаются в когерентное, согласованное коллективное движение. На этой основе возникают кооперативные процессы, и происходит самоорганизация системы. Изучая процессы самоорганизации, происходящие в лазере, немецкий физик Герман Хакен (р.1927) назвал новое направление исследований синергетикой, что в переводе с древнегреческого означает совместное действие, или взаимодействие, и хорошо передает смысл и цель нового подхода к изучению явлений. Другим примером может служить самоорганизация, которая возникает в химических реакциях. В них она связана с поступлением извне новых реагентов, т. е. веществ, обеспечивающих продолжение реакции, с одной стороны, и выведение в окружающую среду продуктов реакции, с другой стороны. Внешне самоорганизация проявляется здесь в появлении в жидкой среде концентрических волн, или в периодическом изменении цвета раствора, например, с синего на красный и обратно ("химические часы"). Эти реакции впервые были экспериментально изучены отечественными учеными Б. Белоусовым и А. Жаботинским. На их экспериментальной основе бельгийскими учеными во главе И.Р. Пригожиным была построена теоретическая модель, названная брюсселятором (по имени столицы Бельгии – Брюсселя). Эта модель легла в основу исследований новой термодинамики, которую часто называют неравновесной, или нелинейной. О равновесии и неравновесии систем уже говорилось. Поясним, что понимается под нелинейностью в термодинамике и теории самоорганизации вообще. Отличительная черта моделей, описывающих открытые системы и процессы самоорганизации, состоит в том, что в них используются нелинейные математические уравнения, в которые входят переменные в степени выше первой (линейной). Хотя линейные уравнения и до сих пор часто применяются в физике и точном естествознании в целом, они оказываются неадекватными для описания открытых систем или же при весьма интенсивных воздействиях на системы. 225 Именно с подобными системами и процессами имеет дело новая термодинамика, и поэтому ее нередко называют нелинейной. Открытие самоорганизации в простейших системах неорганической природы, прежде всего в физике и химии, имеет огромное научное и философско-мировоззренческое значение. Оно показывает, что такие процессы могут происходить в фундаменте самого "здания материи", и тем самым проливает новый свет на взаимосвязь живой природы с неживой. С такой точки зрения возникновение жизни на Земле не кажется теперь таким редким и случайным явлением, как об этом говорили многие ученые раньше. С позиции самоорганизации становится также ясным, что весь окружающий нас мир и Вселенная представляют собой совокупность разнообразных самоорганизующихся процессов, которые служат основой любой эволюции. Как же объясняет современная наука, и в частности, синергетика процесс самоорганизации систем? Для этого должны выполнятся необходимые условия. Система должна быть открытой, потому что закрытая, изолированная система в соответствии со вторым законом термодинамики в конечном итоге должна прийти в состояние, характеризуемое максимальным беспорядком или дезорганизацией. Открытая система должна находиться достаточно далеко от точки термодинамического равновесия. Если система находится в точке равновесия, то она обладает максимальной энтропией и потому неспособна к какой-либо организации: в этом положении достигается максимум ее самодезорганизации. Если же система расположена вблизи или недалеко от точки равновесия, то со временем она приблизится к ней и в конце концов придет в состояние полной дезорганизации. Если упорядочивающим принципом для изолированных систем является эволюция в сторону увеличения их энтропии или усиления их беспорядка (принцип Больцмана), то фундаментальным принципом самоорганизации служит, напротив, возникновение и усиление порядка через флуктуации. Такие флуктуации, или случайные отклонения системы от некоторого среднего положения, в самом начале подавляются и ликвидируются системой. Однако в открытых системах благодаря усилению неравновесности эти отклонения со временем возрастают и, в конце концов, приводят к "расшатыванию" прежнего порядка и возникновению нового порядка. Этот процесс обычно характеризуют как принцип образования порядка через флуктуации. Поскольку флуктуации носят случайный характер, то становится ясным, что появление нового в мире всегда связано с действием случайных факторов. 226 В отличие от принципа отрицательной обратной связи, на котором основывается управление и сохранение динамического равновесия систем, возникновение самоорганизации опирается на диаметрально противоположный принцип – положительную обратную связь. Функционирование различных технических регуляторов и автоматов основывается на принципе отрицательной связи, т.е. получении обратных сигналов от исполнительных органов относительно положения системы и последующей корректировки этого положения управляющими устройствами. Для понимания самоорганизации следует обратиться к принципу положительной обратной связи, согласно которому изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, а напротив, накапливаются и усиливаются, что и приводит, в конце концов, к возникновению нового порядка и структуры. Процессы самоорганизации, как и переходы от одних структур к другим, сопровождаются нарушением симметрии. Мы уже видели, что при описании необратимых процессов пришлось отказаться от симметрии времени, характерной для обратимых процессов в механике. Процессы самоорганизации, связанные с необратимыми изменениями, приводят к разрушению старых и возникновению новых структур. Самоорганизация может начаться лишь в системах, обладающих достаточным количеством взаимодействующих между собой элементов и, следовательно, имеющих некоторые критические размеры. В противном случае аффекты от синергетического взаимодействия будут недостаточны для появления кооперативного (коллективного) поведения элементов системы и тем самым возникновения самоорганизации. Мы перечислили необходимые, но далеко недостаточные условия для возникновения самоорганизации в различных системах природы. Даже в химических самоорганизующихся системах, которые изучали Белоусов и Жаботинский, в "игру" вступают такие новые факторы, как процессы катализа, которые ускоряют химические реакции. Поэтому можно сделать вывод, что чем выше мы поднимаемся по эволюционной лестнице развития систем, тем более сложными и многочисленными оказываются факторы, которые играют роль в самоорганизации. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В качестве основных выводов из содержания курса “Концепции современного естествознания” отметим следующее. Современное естествознание представляет собой сложную, разветвленную систему множества наук. Ведущими науками ХХ в. по праву можно считать физику, биологию, химию, науки о космосе, прикладную математику (неразрывно связан227 ную с вычислительной техникой и компьютеризацией), кибернетику, синергетику. В рамках физики, в свою очередь, выделяются специальная и общая теории относительности, квантовая теория, ядерная физика. В биологии должны быть отмечены эволюционное учение, генетика и экология, нашедшие свое достойное продолжение в естественных науках о человеке – его происхождении, видовом и индивидуальном развитии. Усиливаются взаимосвязи как внутри самого естествознания (между физикой, химией, биологией, геологией и т.п.), так и между естественными, техническими, общественными и гуманитарными науками. Более четко стало представляться соотношение общественных и гуманитарных наук как наук, прежде всего, о духовной (нравственно-эмоциональной, интеллектуальномыслительной, эстетической и т.п.) жизни человека. Вторая половина ХХ в. – это время научно-технической революции, характеризующейся лидирующей ролью науки по отношению к технике и материальному производству. Современное производство немыслимо без опережающего развития фундаментальной науки и прикладных научных разработок. Если государство не заботится о развитии науки, оно не заботится о своем будущем. Но усиление воздействия науки на общество и природу обусловливает не только прогресс, но и возникновение ряда трудно решаемых глобальных проблем. Это свидетельствует о противоречивом характере взаимодействия науки, общества и природы, причем ведущим звеном этой цепи следует считать само общество, тип присущих ему отношений между определяющими силами его развития. Природа как объект изучения естествознания сложна и многообразна в своих проявлениях: она непрерывно изменяется и находится в постоянном движении. Круг знаний о ней становится все шире. После изучения того или иного предмета запоминаются, как правило, основные идеи, при развитии которых создается наиболее полное представление о сущности предмета. Такие идеи для естествознания весьма удачно сформулировали в двадцати фразах современные американские физики Роберт Хейзен и Джеймс Трефил. Первые семь из них общие для естествознания, а остальные относятся к его отраслям. Вот эти научные истины: * Вселенная регулярна и предсказуема. * Все движения можно описать одним набором законов (имеются в виду три закона Ньютона). * Энергия не исчезает. 228 * При всех превращениях, энергия переходит из более полезных в менее полезные формы (первый и второй законы термодинамики). * Электричество и магнетизм – две стороны одной и той же силы. * Все состоит из атомов. * Все – материя, энергия, квантовые характеристики частиц – выступают дискретными величинами, и нельзя измерить ни одну из них, не изменив ее. Вся химия – в двух фразах: * Атомы склеиваются электронным "клеем". * Поведение вещества зависит от того, какие атомы входят в его состав и как они расположены. Физика, включая астрофизику и космологию: * Ядерная энергия выделяется при превращении массы в энергию. * Атомы, из которых состоит все, сами состоят из кварков и лептонов. * Звезды рождаются, живут и умирают, как и все остальное в мире. * Вселенная возникла в прошлом в определенный момент и с тех пор она расширяется. * Законы природы едины для любого наблюдателя (резюме специальной и общей теории относительности). Науки о Земле: * Поверхность Земли постоянно изменяется, и на ее лице нет ничего вечного. * Все процессы на Земле происходят циклами. Биология сводится к четырем фразам: * Все живое состоит из клеток, представляющих собой заводы жизни. * Все живое основано на генетическом коде. * Все формы появились в результате естественного отбора. * Все живое связано между собой (в этой фразе заключена суть всей экологии). Что же мы можем сказать об окружающем нас мире? То, что он одновременно и един, и удивительно многообразен, что он вечен и бесконечен в беспрестанном процессе взаимопревращения одних конечных систем в другие; что он является единой системой, а каждая ее отдельная часть может быть только относительно самостоятельной, будучи неизбежно зависимой от общих законов бытия. ЛИТЕРАТУРА Использованная литература 229 1. Кузнецов В.И., Идлис Г.М., Гутина В.Н. Естествознание.– М., 1999. 2. Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики.– М., 1966. 3. Спассский Б.И. Физика для философов. – М., 1989. 4. Полинг Г. Общая химия.– М., 1964. 5. Вилли К., Детье В. Биология. – М.,1975. 6. Общая биология /под ред. Дубинина Н.П./.– М.,1980. 7. Вернадский В.И. Биосфера и ноосфера. – М.,1989. 8. Блауберг И.В., Юдин Э.Г. Становление и сущность системного подхода.– М.,1973. 9. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания. – М., 2002. 10.Солопов Е.Ф. Концепции современного естествознания. – М., 1998. 11.Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. – М., 1999. Рекомендуемая литература 1. Опарин А.И. Жизнь, ее природа, происхождение и развитие. – М.,1960. 2. Силк Дж. Большой взрыв: рождение и эволюция Вселенной. – М.,1982. 3. Дубинин Н.П. Что такое человек. – М.,1983. 4. Фридман Э.П. Приматы. – М., 1979. 5. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. – М.,1986. 6. Гинзбург В.А. О физике и астрофизике. – М., 1980. 7. Ровинский Р.Е. Развивающаяся Вселенная. – М., 1995. 8. Шама Д. Современная космология.– М., 1973. 230
